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摘要：文章针对某汽车发动机螺栓的断裂失效进行了分析，通过理化检验，对螺栓断口宏观、金相、硬度、摩擦性能等方面进行了检测，并利用扫描电镜对断口进行了分析，得出汽车发动机螺栓断裂失效的原因，并对避免装配时螺栓断裂的发生提出了相关措施，可供预防螺栓断裂提供参考借鉴。
关键词：汽车发动机；螺栓；断裂
0 引言
随着我国社会经济的快速发展，汽车的使用量日益增加，人们对汽车的质量也提出了更高的要求。在汽车发动机安装中，螺栓的安装质量直接关系到汽车发动机的正常、安全运行，并对汽车的整体质量具有重要的影响。而在汽车发动机安装中，螺栓的断裂现象时有发生，严重影响到了汽车发动机的正常安全运行，并对人们的生命财产安全构成了威胁。因此，对其断裂失效进行分析，探讨其预防措施十分必要。本文结合某发动机螺栓断裂实例，进行了相关介绍，其断裂件如下图1所示。
图1 断裂螺栓图.png)
1 理化检验
1.1 宏观断口分析
断口宏观形貌可见圆锥型尖角，由于螺栓在拧紧过程中受到扭转力，杯锥轴线方向与主应力方向一致，锥面与主应力夹角为45°，断口表面呈鹅毛绒状。
螺栓大头端断口附近可见明显拉伸塑性变形，螺栓尾段断口可见明显杯状韧性断裂特征，同时在螺纹根部可见裂纹，分布范围在圆周20°区域内，如图2中箭头所示。另外对螺栓1部分断口在体式显微镜下观察，也可见在螺纹根部有裂纹出现。从宏观断口形貌来看，大头短和尾端螺栓断口可见明显塑性变形特征，未见脆性断裂特征。
图2 断口宏观照片.png)
1.2 螺栓摩擦性能试验
螺栓摩擦系数要求0.1～0.16，选取同批次3件螺栓进行摩擦系数性能试验，结果分别为0.13、0.13及0.14，结果为合格。
经过大量的试验和实践经验的积累，在实际拧紧过程中受到摩擦系数等影响，仅仅5%～10%的扭矩转化为所需要的预紧力，有90%的扭矩被拧紧过程中的摩擦消耗掉。当支承面的摩擦系数降低20%时，支承面摩擦扭矩降为40%，螺栓轴向夹紧力将翻倍增加（有20%的拧紧扭矩转化成夹紧力）。由此可见，使用扭矩装配方法，摩擦系数对螺栓夹紧力的影响很大。故当摩擦系数越大，拧紧到一定力矩下所承受的夹紧力也越大。当摩擦系数超出设定值，可能在拧紧过程中承受的夹紧力超出螺栓材料本身屈服强度在薄弱位置生产裂纹等缺陷。
1.3 螺栓力学性能检测
断裂螺栓为10.9级，图纸硬度要求：32-39HRC.经过对失效螺栓进行硬度测试，可得螺栓硬度检测结果为：HRC36/37/37/36/38.检测结果均在合格范围内。由于该螺栓已断裂，无法对该螺栓抗拉强度等进行测试。同时对该螺栓抗拉力学性能进行检测，检测结果分别为：1140MPa、1130MPa、1150MPa（工艺要求1040MPamin，合格）
1.4 螺栓金相检测及分析
通过金相检验，一方面可查看材料金相组织是否有异常，同时可检查螺纹段是否存在微裂纹或者螺栓表面有脱碳情况。如存在，可能在螺栓表面比较薄弱处，出现裂纹扩展，最终导致断裂发生。
采取对断裂螺栓沿轴向剖开后进行抛光处理，查看螺牙根部是否存在裂纹，裂纹是在装配前产生或是在受力后产生。
以下是一例失效螺栓的金相组织图片，螺栓沿轴向剖切成两个半圆形，对剖切面进行磨抛和腐蚀。明显可见螺牙牙尖位置有微裂纹，该处裂纹边缘出现脱碳层，说明裂纹发生于热处理之前。并非后续产生。但该裂纹的位置处于牙尖位置附近，从受力角度分析，其裂纹发生扩展导致螺栓断裂的风险较低，如图3所示。
图3 裂纹处脱碳案例图.png)
脱碳是指钢在脱碳性质介质中加热时，钢表层中的固溶碳与之发生化学反应，生成气体逸出钢外，使钢的表层碳浓度降低的现象，脱碳严重时，可使表层变成铁素体。该螺栓试样是通过线切割取样的，取样后还要进行磨制试样，一般都不会造成裂纹的产生，并且在上图中可以看出：该裂纹是在热处理前发生的，才会在热处理加热时裂纹的周围产生脱碳的现象；如果之后产生的裂纹，裂纹周围是不会造成脱碳。
而本次案例中，对螺栓金相组织进行分析，其主要金相组织为均匀细致的索氏体，可见螺栓螺牙根部有裂纹产生，而螺栓裂纹位置及螺牙表面均未见明显的脱碳现象，螺栓热处理方式为淬火及高温回火，产品要求脱碳层厚度不超过0.015mm，而本案例由于螺牙表面及裂纹处都无明显脱碳层，故无法通过裂纹处有脱碳这一特征，来判断裂纹产生时间是在热处理过程中出现，还是在受力后产生，如图4所示。
图4 放大100X金相组织照片.png)
2 扫描电镜断口分析
进一步使用日立S-3400N钨灯丝扫描电镜进行断口分析，以下为相应的断口照片及分析。
如图5所示A区域放大后可见韧窝，且宏观形貌呈旋转弧形状。其中有部分为明显的等轴韧窝特征，即螺栓受到轴向拉应力作用下形成。韧窝为塑性断裂特征，一般来说，变形硬化指数越大，材料越难出现颈缩。受材料本身的微观结构和相对塑性影响，韧窝会表现出完全不同的大小和形状。从这一角度来说，本案例螺栓断口出现明显的颈缩（螺栓大端断口），说明本螺栓发生明显塑性变形。
图5 A区域宏观及放大示意图.png)
B区域微观形貌图片如图6所示，与A区域一样，大部分区域呈韧性断裂特征。其中较多等轴韧窝，如图7所示。
图6 B区域宏观及放大示意图.png)
图7 C区域宏观及放大示意图.png)
C区域为受到扭转力后发生一定的塑性变形，扭转应力应为逆时针方向，放大后的C区域表面比较平整。初步推断，此处为裂纹起始区域。由于螺牙根部存在隐形的微小裂纹（如图2所示），在拧紧过程中，螺牙根部的微裂纹在扭力作用下发生扩展，随着裂纹的进一步扩展，由于材料本身存在一定的韧性，故在裂纹逐步扩展的过程中，螺栓也同时发生一定的塑性变形特征-韧窝。螺栓最终在尖角处发生断裂。
3 螺栓断裂失效分析与措施
螺纹根部产生微裂纹/断裂的原因主要有以下几点：
（1）螺栓热处理后容易在螺纹根部，由于淬火/回火后形成微裂纹。而回火脆性一般发生于沿晶断裂，本案例中，通过查看电镜图片可见，断裂面无明显沿晶断裂特征；同时螺牙根部的裂纹边缘也无脱碳情况出现。初步判断热处理形成的裂纹非为螺栓断裂原因。
（2）螺栓加工工艺不当，螺牙根部由于缺口敏感性较高，过程中可能会产生轻微的损伤，导致应力集中，最终造成断裂。通过宏观和微观的分析，通过金相检测，在2处位置可见图2所示裂纹，无法判断是否为加工过程中产生。此为产生微裂纹的可能原因之一。
（3）另外螺栓在拧紧过程中，如果扭力过大，或人员操作过程中扳手倾斜，均会造成螺栓断裂。
针对螺栓出现断裂的情况，为了尽可能减少类似的螺栓在装配就发生断裂类似的质量问题，建议采取以下措施：
（1）在螺栓经过热处理后增加螺栓的100%磁粉探伤，能及时筛查出问题零件；
（2）按一定抽检频次对螺栓的抗拉强度、金相、硬度及脱碳情况进行检测，如存在异常能及时采取控制措施。
4 结语
综上所述，螺栓的装配质量直接关系到汽车发动机的安全、稳定运行，并与车主的生命财产安全息息相关。因此，在汽车发动机螺栓装配过程中，施工人员要严格把好螺栓的质量关卡，确保螺栓的质量性能满足要求，同时还要严格按照相关标准规范进行操作，加强对螺栓的质量检测，采取有效的预防措施，避免质量问题的出现，从而确保汽车发动机的使用性能及安全性能。
参考文献：
[1]赵伟冲，陈涛，肖景望.汽车用高强度螺栓断裂失效分析[J].北京汽车.2016（01）
[2]陈春.汽车发动机正时链条张紧器螺栓断裂失效分析[J].内燃机.2014（04）
论文作者:莫宏政
论文发表刊物:《基层建设》2016年25期
论文发表时间:2017/2/22
标签：螺栓论文; 裂纹论文; 断口论文; 脱碳论文; 金相论文; 过程中论文; 摩擦系数论文; 《基层建设》2016年25期论文;