发动机点火线圈固定螺栓断裂失效分析

柯胜蓝 张少甫 张晓俊

（上汽大众汽车有限公司，上海 201805）

1 前言

螺栓广泛应用在汽车零部件连接，但在实际生产、制造和装配过程中，各种异常因素会导致螺栓连接出现如内螺纹滑牙[1]和螺栓断裂等失效。螺栓断裂是最常见的一种失效，常见的螺栓断裂形式有疲劳断裂[2-3]、脆性断裂[4-5]、应力腐蚀断裂[6-7]、蠕变断裂[8]。而导致螺栓断裂的原因一般有疲劳载荷、剪切载荷和拉伸载荷等，常见的断口有疲劳断口、韧性断口、剪切断口。

发动机点火线圈的功能是将12 V的低压电转化为15～20 kV 高压电，高压电通过火花塞变成高压电火花点燃可燃混合气体[9]。点火线圈固定螺栓是将点火线圈固定在发动机缸体上，通过拧紧从而夹紧点火线圈，防止在振动载荷下点火线圈的脱落。按照VDI 2862 对拧紧点的等级的分类（主要分为KAT A、KAT B、KAT C 类），该拧紧点的拧紧等级为KAT B，即拧紧如出现失效，会导致汽车出现抛锚等功能性失效。此外，发动机点火线圈是个耗损件，汽车每行驶一定的里程数就需要更换。更换时，需先拧松固定螺栓，更换火花塞后重新拧紧固定螺栓。

2 问题描述

某车辆在路试至50 000 km 准备进行火花塞拆装时，第4 缸点火线圈固定螺栓底部断裂，其它3缸点火线圈固定螺栓正常。失效螺栓有明显的扭曲变形，且断裂在铝缸盖孔内，断裂位置在第10 颗螺牙处，螺栓共43 颗牙。失效螺栓和其它缸拆下来的螺栓如图1b 所示。

通过信息调研，该车辆在20 000 km和40 000 km均更换过火花塞，断裂发生在第3次更换火花塞时，每次更换火花塞时仍采用原螺栓进行拧紧。该螺栓为自攻螺栓，等级为8.8级，尺寸为M6×45，螺栓主要作用是将点火线圈固定在未预制螺纹的铝制缸盖上，螺栓在第4 缸的装配的位置如图1a 所示。该螺栓的拧紧工艺为扭矩法，扭矩为11 N·m。

图1 点火线圈固定螺栓的装配位置和断裂失效螺栓

3 测试分析

3.1 断口分析

采用徕卡DMS1000 型体式显微镜对失效的螺栓进行宏观断口分析，宏观断口如图2a 所示，断口呈现扭转方向，推测螺栓断裂前受到扭转力。采用蔡司EVO MA25 型扫描电子显微镜（SEM）对失效的螺栓进行微观断口分析，微观断口如图2b 所示，失效件断口为典型的塑性断口，呈顺时针方向剪切韧窝，结合失效螺栓有明显的扭曲变形，推测螺栓是受扭转力过载而导致的断裂。

图2 失效件断口分析

3.2 显微金相和硬度分析

该螺栓的材料为宝钢SWRCH40K，通过调制热处理达到8.8 级的强度。根据ISO 898-1，该螺栓的硬度250～320 HV10。

采用蔡司Axiovert 200MAT 型对失效件进行金相检验，检验的结果显示失效螺栓的主要组织为回火索氏体，组织正常，金相图片如图3 所示。

图3 失效螺栓金相

采用Wilson UH750 型万能硬度机对失效螺栓的心部进行硬度测试，测试的结果为290～298 HV10。符合8.8 级螺栓强度要求，详细测试结果如表1 所示。

表1 失效螺栓硬度 HV10

3.3 模拟装配分析

为进一步确认失效的原因，实验室设计了如下实验，a（实际零件上拧至失效）、b（实际零件上重复拧紧6 次）、c（将螺栓扭转断裂）和d（将螺栓拧在螺母上至断裂）4 种模拟装配实验，如表2 所示。模拟装配的采用的设备为Schatz 5413-4504，传感器量程为50 N·m。

表2 失效模式假设与模拟装配

a.实际零件上模拟装配拧紧至失效。模拟装配的装置图如图4a 所示，螺栓直接拧在发动机壳体的螺纹孔上至失效。拧至16 N·m 后开始失效，螺栓无损坏，未出现扭曲和断裂现象（图4b），模拟拧至失效的拧紧曲线如图4c 所示，失效模式为铝缸体内螺纹滑牙。这说明按照正常情况进行拧紧，即使拧至失效，该螺栓也不会发生断裂。

图4 实际零件上拧紧至失效模拟装配实验

b.实际零件重复拧紧6 次。模拟装配实验的装置和图4a 相同，按照设计的工艺扭矩拧至11 N·m，再拧松。重复6 次，取出螺栓，螺栓的状态如图5a所示，螺栓未出现扭曲或断裂等失效。模拟装配曲线如图5b 所示，曲线未出现屈服或扭矩掉落等现象。这说明按照11 N·m 正常重复多次拧紧，螺栓也不会出现断裂等失效。

图5 实际零件上重复拧紧模拟装配实验

c.将螺栓扭转断裂。将螺栓一端夹在台虎钳上，让螺栓的拧紧时无法自由伸长，此时螺栓只承受切应力。螺栓拧至断裂失效的装置如图6a 所示，模拟装配曲线如图6b 所示，螺栓在拧至12 N·m 时出现屈服，拧至14 N·m 时出现断裂。

图6 将螺栓扭转断裂模拟装配实验

d.将螺栓拧在螺母上至断裂。为让模拟螺栓在装配过程中拉断，实验室设计将螺栓穿过钢垫片，拧在高强度等级的螺母上（等级为10 级），拧至失效后，螺栓出现断裂。实验装置如图7a 所示，断裂的螺栓如图7b 所示，模拟装配的曲线如图7c 所示。螺栓在拧至13 N·m 开始屈服，拧至15 N·m 左右断裂。

图7 将螺栓拧在螺母上至断裂模拟装配实验

4 分析和讨论

根据失效螺栓的硬度和心部金相测试结果，螺栓的强度符合设计要求。

模拟装配的a 实验结果表明螺栓在铝缸体上正常拧紧时不会出现断裂。当拧至较高的扭矩时，即使铝缸体内螺纹出现滑牙，螺栓也不会出现断裂。模拟装配的b 实验结果表明按照设计的工艺扭矩多次重复装配，螺栓也不会出现断裂。

模拟装配实验c 和模拟装配实验d 的测试过程中，螺栓均出现断裂。因此，对比这2 种状态的螺栓断口和失效件的断口。宏观断口的对比如图8 所示，通过对比发现，失效件断口和模拟装配c实验的拧断断口较相似。

图8 宏观断口对比

微观断口的对比如图9 所示，失效件和模拟装配c 实验的拧断断口的韧窝均呈一定方向性，相似性较高，均主要受扭转剪切载荷而断裂。模拟装配d 实验的螺栓断口主要呈轴向韧窝，与主要受扭转剪切载荷失效件断口差异较大。这说明d 实验的螺栓主要承受拉伸载荷而断裂。

图9 微观断口对比

通过宏观断口和微观断口的对比分析，确定失效件主要承受扭矩载荷而导致的断裂，实验室进一步对点火线圈固定螺栓的拧紧过程进行了调研。相关部门反馈，该螺栓拆装后，未采用定扭矩扳手进行拧紧，而是直至拧不动为止。40 000 km 更换第2 次更换火花塞时，螺纹孔已出现轻度滑牙。螺纹孔滑牙会导致螺栓拧紧时无法自由向下运动。此时，继续拧紧时，螺栓会主要承受扭转载荷，同时未采用定值扭力扳手，可能会导致螺栓承受过拧的载荷，使得螺栓产生不可逆的剪切塑性变形或微裂纹，最终导致螺栓在路试中断裂。

因此，断裂原因很可能发生在第2 次更换火花塞时，螺栓没有正常拧入（内螺纹已损伤或螺栓倾斜拧入），以致拧紧扭矩高于扭断扭矩14 N·m，进而导致螺栓扭转断裂。

5 结论

a.点火线圈固定螺栓主要承受剪切载荷而断裂，其断口呈顺时针方向剪切韧窝。

b.通过模拟装配对比分析，失效的点火线圈固定螺栓宏观和微观断口与该螺栓纯扭转（状态）的断口最为相似，这也进一步说明螺栓的断裂模式为扭转（剪切应力）断裂失效。

c.点火线圈固定螺栓断裂的可能原因为第二次40 000 km 更换火花塞时，螺栓没有正常拧入（内螺纹已损伤或螺栓倾斜拧入），且拧紧扭矩高于螺栓扭转断裂扭矩14 N·m，进而导致螺栓扭转断裂。