摩托车发动机连杆断裂原因分析

摩托车发动机连杆断裂原因分析

陈明，谭莹，曹标，周崎，刘健斌

(广州出入境检验检疫局化矿金属材料检测技术中心，广东广州510623)

要：对断裂的摩托车发动机连杆进行宏观、金相及断口分析。结果表明连杆与输出轴之间曾发生强烈磨擦，

连杆局部区域应力集中及温度过高，降低了该区域的疲劳强度。同时该区域组织中存在的较粗大的碳化物

了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展。

词：连杆；疲劳断裂；失效分析

东某摩托车厂一辆摩托车在运行了2000km后发生机械故障，经拆机检查，发现发动机曲轴连杆断裂。厂家送来断裂连杆要求进行断裂原因分析。据悉该连为20CrMnTi，表面经过渗碳处理。连杆工作原理见图1，连杆的往返运动带动两传动曲轴转动。

图1 曲轴连杆工作示意图

宏观检查

失效连杆件有两个断口，杆身未发现明显变形(图2)，在连杆断裂端的轴承弧面可见许多与断口平行的裂纹[图3(a)]；断裂端一侧面存在强烈磨擦痕迹[图3(深度达0.5mm；轴承弧面靠近磨擦侧面一端可见蓝灰色的高温氧化痕迹[图3(c)]，连杆另一端未发现裂纹。断口1(图2左边的断口)较为光滑平整，断口损，中部可见疲劳弧线[图3(d)]；断口2(图2右边的断口)未见疲劳弧线。

图2 曲轴连杆全貌

(a)连杆断裂端的轴承弧面裂纹；(b)连杆的一个侧面受到磨损；

(c)曲轴轴承弧面靠近磨擦侧面一端蓝灰色的高温氧化痕迹；(d)断口1全貌

图3 磨损及断裂处的宏观形貌

扫描电镜分析

断口1在扫描电镜下显示疲劳弧线[图4(a)]；根据弧线的走向可以找到疲劳源，疲劳源在[图4(d)]右下方拐角处，局部放大，源区的细微组织大部分已磨看到放射棱特征[图4(b)]；在疲劳扩展区可见疲劳条纹及二次裂纹[图4(c)]；断口2未见疲劳条纹，只有韧窝，可见断口1是最先开始断裂的断口，而断次断口。

(a)断面区间的疲劳弧线；(b)疲劳源形貌；

(c)疲劳扩展区的二次裂纹及疲劳条纹；(d)白色块状碳化物

图4 断口的SEM照片

常规检验

取样对曲轴连杆相应部位按GB/T230.1-2004进行硬度测试，按GB/T9450-2005检测渗碳层厚度，按JB/6141.3-1992检验渗碳层碳化物和马氏体及残余奥，结果见表1。结果表明连杆渗碳层表面碳化物等级超过产品技术要求，特别是在截面的四个角区域存在较严重的碳化物分布[图4(d)]。渗碳层组织为针体+残余奥氏体，心部组织为低碳马氏体+少量铁素体。

化学成分

在连杆身部位取样，进行化学成分(质量分数，%)分析，结果符合GB/T3077-1999 20CrMnTi的化学成分要求，见表2。

结果分析

综合上述检验结果，失效件材料化学成份符合技术条件要求。连杆断裂端一侧面出现非正常严重磨擦现象，轴承弧面靠近磨擦面一端出现的蓝灰色的氧化色氧化铁(Fe3O4)及红色氧化铁(Fe2O3)的混合体，其形成温度在400℃以上。表明该连杆与一输出轴之间的磨擦导致该区域温度过热。断口扫描电镜分析表劳裂纹源在氧化膜附近的拐角处，正处于高温区域。表面氧化会使裂纹产生的机会增加，同时高温提高了蠕变损伤的可能性。另一方面磨擦导致金属表面粗形成表面应力集中，增大疲劳源产生的可能性。断裂起源往往发生在拉应力最大的层面上。从连杆运动受力情况分析，断口1的断面所受的拉应力最大，断面靠近磨擦面的拐角处形成裂纹源。同时由于该区域存在较粗大的状碳化物，破坏了基体组织的连续性，加速了裂纹的形成和扩展，降低了疲劳强度，了疲劳断裂。

连杆渗碳表面的碳化物过大与渗碳工艺不当有关。粗大的块状碳化物主要是由于碳浓度过高造成的，特别容易在工件尖角处形成，导致零件寿命显著下降渗碳过程中应注意严格控制渗碳气氛的碳势，以免过高的碳势引起工件表面形成粗大

化物。

结论

曲轴连杆断裂属疲劳断裂，引起断裂的原因是在使用时连杆受到剧烈磨擦，导致局部区域应力集中及温度过高，降低了材料的疲劳强度。连杆拐角处表面状碳化物加速了裂纹的萌发及扩展。

声明：

本文系本网编辑转载，转载目的在于传递更多信息和学习，并不代表本网赞同其观点和对其真实性负责。

如涉及作品内容、版权和其它问题，请与本网联系，我们将在第一时间进行处理！

建议用 IE 1024*768 分辨率浏览本网站

版权所有(c) 中国金相分析网

关于汽车配件螺栓断裂原因分析

关于汽车配件螺栓断裂原因分析 摘要：材质为45#的螺栓在热处理后沿径向出现裂纹并断裂。为了查明原因，用光电直读光谱仪、光学显微镜及扫描电子显微镜对断裂处进行了能谱、宏观、微观和化学成分等分析。研究表明：螺栓的化学成分完全符合产品的技术要求，螺栓断裂是由于螺栓在淬火前存在成分偏析，以及淬火冷却时生成较多的块，半网状铁素体等组织缺陷，引起螺栓的强韧性下降，导致螺栓沿径向方向产生微裂纹而引起的疲劳断裂。 关键词：螺栓疲劳断裂成分富集 中图分类号：TG11 文献标识码：A 文章编号： 1674-098X（2015）01（a）-0070-01 某公司生产的螺栓，主要用于汽车上，其作用是紧固连接。材质：45#，性能等级：4.8级，规格：M10。它的热处理工艺是淬火900～930 ℃以及回火580～630 ℃。热处理结束之后，发现沿径向方向螺栓断裂，导致批量性报废，造成单位的经济损失惨重。该文通过分析，探究螺栓断裂的原因，包括能谱、宏观、微观和化学成分等分析。 1 实验过程与结果 1.1 化学成分分析 其材质：45#，执行标准：GB/T699-1999，螺栓的化学

成分是通过采用美国XXX型光电直读光谱仪进行光谱分析的，结果见表1，观察表1知断裂螺栓的化学成分满足 GB/T699-1999优质碳素结构钢的要求。 1.2 宏观分析 见图1，断裂螺杆的宏观图。经观察可知，螺栓对开是沿径向区域，断裂起源于螺栓螺纹牙处。整个断口绝大部分为扩展区，最后的瞬断区很窄，宏观上有明显的疲劳特征。直于裂纹前端（每一瞬间）的轮廓。因此可判断裂纹源应在螺栓螺纹牙处。 1.3 微观分析 侵蚀样品的溶液选用5%（体积分数）硝酸酒精，通过在显微镜下观察，能够发现其纵向截面断裂边缘组织是大量块状铁素体以及回火索氏体（见图2）。其块状铁素体是属于未淬透而生成的组织，有可能是经加热使其完全奥氏体化之后再做淬火冷却而缓慢形成的，并在回火的时候，因没有发生组织转变，最后，这部分铁素体被保留了下来，降低了机械性能，而余下的马氏体经碳化物析出，进而转变为回火索氏体。 1.4 能谱分析 观察正常部位组织（图3）及裂纹附近的组织（图4、图5），可以发现组织均以回火索氏体为主，大小均匀。裂纹附近组织无明显异常，可以初步判定裂纹不是在轧制阶段形

船舶柴油机连杆螺栓断裂故障分析及预防措施

第24卷第4期2016年12月 广州航海学院学报 JOURNAL OF GUANGZHOU MARITIME INSTITUTE Vol．24 No．4Dec．2016 收稿日期:2016-03-06 基金项目:江苏省航海学会项目(2015B09) 作者简介:彭 陈(1983 ),男,工硕士,讲师,主要研究方向为轮机工程二船舶与海洋工程. 船舶柴油机连杆螺栓断裂故障分析及预防措施 彭 陈 (江苏海事职业技术学院航海学院,江苏南京211100) 摘 要:船舶柴油机在运转时发生连杆断裂将会导致严重后果,根据HYUNDAI-MAN B&W 6S70MC 型柴油机连杆断裂事故,分析故障产生原因,并对此类故障的发生提出可行性对策与预防措施,确保柴油机的安全性能. 关键词:柴油机;连杆螺栓;断裂;对策中图分类号:TK423文献标志码:A 文章编号:1009-8526(2016)04-0014-02船舶柴油机连杆螺栓是连接杆体与连杆端盖的一种特殊螺栓,螺栓承受载荷大,受力情况复杂,连杆螺栓发生断裂将会引起严重的事故,轻则打坏缸盖二缸套二连杆变形,严重会导致曲轴断裂,机器损坏.据统计在柴油机机损事故中,连杆螺栓断裂引起的比例高达50%以上,因此笔者结合工作实际分析杆螺栓断裂的原因,提出一些预防措施. 1 故障现象 韩国现代船厂2007年造18万t 级散装船,主机型号为HYUNDAI-MAN B&W 6S70MC,在任职期间内,该轮发生螺栓断裂事故,HYUNDAI-MAN B&W 6S70MC 型柴油机的连杆大端结构如图1所示,连杆大端为斜切口二齿形结合,薄壁轴瓦 . 图1 连杆大端结构图 2 故障原因分析 1)连杆螺栓根部应力集中以及尺侧出现缝隙.从断裂的螺栓分析,断裂处基本都是在螺纹的根部,连杆 螺栓二螺孔及其配合是发生断裂的主要原因.船舶柴油机连杆螺栓是固定在连杆大端的螺纹上,每次柴油机连杆螺栓更换,但是螺孔的螺纹却是不变的,柴油机长时间的运转之后,连杆螺栓与螺纹之间会发生一定的磨损,这样就会造成连杆螺栓与螺孔的螺纹不是很匹配.船舶柴油机连杆螺栓的根部比较容易发生应力集中,而且螺纹的根部恰恰位于连杆大端轴承齿形接触的分界面上,所以连杆螺栓的根部比较容易发生断裂.柴油机长时间运转之后,连杆大端轴承上下齿形接触面侧面磨损,出现尺侧间隙,轴承从动,连杆大端螺栓承受横向弯曲应力与剪应力,导致连杆螺栓松动,螺栓在周期性冲击力作用下产生疲劳破坏而断裂. 2)连杆螺栓预紧力不正确.在柴油机连杆螺栓装配过程中,连杆螺栓预紧力过大或者过小,导致事故发生.如果预紧力过大,会超过连杆螺栓的屈服极限,造成连杆螺栓的变形,柴油机运转之后,产生很大的爆发力,连杆螺栓处在应力交变得环境下,裂纹会逐渐扩展,最后会发生断裂.如果预紧力过小,柴油机运转之后,在往复惯性力的作用下,连杆接合面会长生间隙,螺栓会受到很大的惯性冲击力,导致连杆螺栓断裂. 3)连杆盖安装错误.安装时要将做过同一标记的连杆大端与连杆螺栓紧固,装配错误会导致连杆大端接合面配合松动,进而柴油机在运转过程中连杆盖松动会导致连杆螺栓断裂. 4)飞车或活塞在气缸内烧死.柴油机运转过程中,如果出现 飞车 故障或者活塞在气缸内发生拉缸故障,会使连杆螺栓承受负荷过大而发生断裂. 万方数据

案例一螺栓失效分析

案例一螺栓断裂失效分析 某螺栓生产厂家生产的螺栓在用户使用过程中发生断裂，为分析螺栓断裂原因，进行了化学成分测试、金相组织观察、螺栓断口观察、能谱测试以及硬度测试等，并对螺栓断裂做出了结论。 1、化学成分分析 螺栓成分分析采用成分分析仪，正常断裂、异常断裂螺栓成分见表1，从表中可以看出正常断裂螺栓与异常断裂螺栓成分都符合GB/T3077-1999《合金结构钢》中对45Mn2钢的要求。 表1 材料化学成分分析结果（质量分数，%） C Si Mn P S Cr Ni Fe 正常断裂螺栓0.421 0.250 1.498 0.011 0.001 0.078 0.021 余量 异常断裂螺栓0.425 0.269 1.534 0.011 <0.001 0.068 0.019 余量标准值0.42~0.49 0.17~0.37 1.4~1.8 2、金相组织分析 取平行于断裂截面的试样，打磨、抛光并观察其组织形貌。下图1(a)、1(b)所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓的金相组织形貌，从图中可以看出螺栓金相组织均为回火马氏体。 (a)正常断裂螺栓；(b)异常断裂螺栓 图1 螺栓金相组织形貌 3、宏观断口形貌分析 正常断裂螺栓、异常断裂螺栓宏观断口形貌如图2(a)、2(b)所示。由图可知

两个螺栓均从中心起裂，裂纹向四周扩展。正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面都具有裂纹源、扩展区、瞬断区三个部分，正常断裂螺栓扩展区面积比异常断裂螺栓大，瞬断区面积则比异常断裂螺栓小。这与异常断裂螺栓应力（165KN ）比正常断裂螺栓断裂应力(215KN)小相吻合。同时正常断裂螺栓断裂截面较为平整，异常断裂螺栓在裂纹源附近呈凹陷状。 (a)正常断裂螺栓； (b)异常断裂螺栓 图2 螺栓断裂截面 4、 微观断口形貌分析 图3所示为正常断裂螺栓与异常断裂螺栓断裂截面裂纹源附近的微观形貌，从图中可以看出正常断裂螺栓组织较为平整，而异常断裂螺栓中心附近可见含有夹杂物的微孔。图4所示为夹杂物所在位置，图5为夹杂物能谱分析图，表2为其对应的元素分析表，从表中可以看出夹杂物中主要元素为O 、Si ，并存在少量的Mg 、Al 、Ca 元素，其中O 元素的含量很大，故较杂物主要为SiO 2，存在少量的MgO 、Al 2O 3、CaO 。 裂纹源 扩展区 裂纹源 扩展区 瞬断区 瞬断区 a) b)

(完整版)断裂螺栓取出办法分析与总结

断裂螺栓取出办法分析与总结 一、取断裂螺栓工具的加工选择 取断裂螺栓工具主要有：断丝取出器；钻头；锤子；手电钻；活动扳手；螺栓松动剂；软磁铁；抹布；10米插线板；工作灯；手电。 上面列出的是常规的取断丝的工具，遇到有些特殊情况可能会用到其他工具，我会在后面提到时候做说明。 取断裂螺栓的基本思路是在断裂螺栓断面（尽量靠中间）钻孔，然后选择合适的断丝取出器旋入钻孔内，由于断丝取出器上带有反方向螺纹，旋动断丝取出器带动断裂部分螺栓旋出。 断丝取出器与钻头的选择：取断丝的工作需要钻头与断丝取出器配套使用，选择的原则是钻头的直径与断丝取出器的最细端相仿。市面上能买到的断丝取出器有两种（如图3,4）。图3的这种断丝取出器螺纹较细，硬度较另一种小。适合用来取硬度较小的断裂螺栓，1500机组轮毂与变桨轴承螺栓是10.9级，用图3的断丝取出器较合适。图4中断丝取出器螺纹较粗，硬度较大，适合取出硬度较强的螺栓。对于钻头，市面上钻头种类很多，我们正常用到的一种是普通的用来钻普通金属物件的钻头。还有一种是合金钻头，这种钻头硬度较高，价格也较高，我们可以用来将已钻好的孔扩大，不建议用这种钻头钻孔，现场实际应用效果不好。 图3 图4 由于轮毂与变桨轴承连接螺栓断裂部分大都在轮毂与变桨轴承接触面处，在用手电钻在断裂螺栓断面上钻孔时要经过变桨轴承孔，孔深约300mm（如图5），我们市面上买到的钻头跟断丝取出器都达不到这个长度，所以要经过加工，在普通钻头上加焊一段钢筋，加工完的钻头总长度在350mm左右为宜，钢筋的另一端要保证能插入手电钻钻夹中加紧。钻头与焊接的部分要尽量保持同心，避免钻孔过程中钻头折断。可将截好的钢筋一端中心钻一个与钻头直径相仿的孔，然后将钻头插入孔中再进行焊接，这样能更好的保持同心度，同时也使焊接更牢固。断丝取出器的加工与钻头的加工基本相同，只是在焊接的钢筋末端要加工成方形，便于用扳手旋出断丝。如图6-9所示为加工后的钻头及断丝取出器。加工工作可以找一般的车床加工厂加工。

超高强度螺栓断裂失效分析

超高强度螺栓断裂失效分析 摘要：螺栓作为重要的紧固件，其失效事故发生较多，造成的危害很大。其中，螺栓的氢脆断裂是较为常见的故障模式，由于氢脆大多与批次性问题有关，因此，危害性较大。螺纹连接是发动机各部件之间最常用的连接方式，大概占到发动机 连接的70%。螺栓的受力特点决定了它是发动机的薄弱零部件。因此，连杆螺栓 的失效分析与预防十分重要。本文分析超高强度螺栓断裂失效的相关内容。 关键词：超高强度螺栓；断裂失效；氢脆 超高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。它具有 施工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。因此, 高强度螺栓连接已 发展成为工程安装的主要手段。 1 实例分析 某型号高强度螺栓用于某轴承上，其强度要求很高。该型螺栓在生产检验合 格服役5 个月后，发现个别螺栓相继在螺纹处发生断裂。该型高强度螺栓为铰制 孔螺栓(螺纹长度95 mm)，材料为35CrMnSiA 钢，规格为M56，螺杆长度为 235mm，强度要求以GB/T3077-1999 为标准。其制造工艺为：毛坯电渣重熔→预 加工→超声波探伤→粗加工(单边留量3～5mm)→调质处理(950℃淬火，630℃回火)→半精加工→淬火热处理(淬火温度为900℃，310℃回火)→力学性能检验→精 加工→磁粉探伤(包括螺纹部分)→表面油漆防护→装配。目前，采用的无损检测手段无法检测出螺栓内部0.2mm 以下的微裂纹。通过金相检验、氢含量检验和断口电镜扫描分析等相关的手段对断裂的螺栓及未断裂的随机抽取样品进行相应的检 验和断裂原因分析。 2 实验方法与结果 2.1 实验对象。实验对象为该型螺栓2 枚，其中包括断裂的铰制孔螺栓，以 及对应同型号未断螺栓1 枚。 2.2 外观检验。用肉眼观察，铰制孔螺栓断于第一节螺纹处断口均很平齐，无 塑性变形，断面与轴线垂直，为一次性脆性断口。且在断口附近有明显的腐蚀痕迹。 2.3 化学成分分析。分别对所取2 个螺栓试样进行化学成分检验分析，结果 表明，2 个螺栓化学成分含量均符合标准。 2.4 氢含量检测。分别对已断裂的铰制孔螺栓及未断裂铰制孔螺栓的光杆边缘处、R/2 处及芯部进行氢含量检测，其中已断裂和未断裂的螺栓光杆边缘处及芯 部检测结果基本一致，R/2 处检测结果出入比较大，分别为2.0×10-6 和0.6×10-6。 2.5 断口分析。将断裂的铰制孔螺栓断口清洗后置于扫描电镜下观察，断口 的形貌大部分均为沿晶和少量的韧窝。见图1。 2.6 金相检验及硬度检测。断裂的螺栓中均有氮化物夹杂，未断裂螺栓的齿面与齿根未 见微观裂纹，见图2。已断裂螺栓存在个别夹杂物超出标准规定尺寸，未断裂螺栓无此现象。已断裂螺栓的晶粒度级别为6~7，未断裂螺栓为5.5~6，显微组织显示齿面局部略有脱碳， 组织为回火马氏体，测得其硬度大于50 HRC，抗拉强度大于1750MPa，说明该材料的强度 级别很高，属于超高强度钢。 3 分析与讨论 上述实验结果表明：该型号螺栓无论在力学性能、化学成分以及晶粒度等方面均符合相 关标准。该螺栓组织为回火马氏体，回火马氏体对氢是极其敏感的。该螺栓的强度很高，因 此同样对氢脆的敏感性也很高。一般来说，发生氢致延迟断裂需要同时具备以下三个条件：

9-10第十节 连杆螺栓断裂

第九章柴油机的运行管理与应急处理339 第十节连杆螺栓断裂 柴油机的连杆螺栓必须十分坚固、工作可靠，运转时连杆螺栓一旦断裂就会发生机损事故，并可能造成人员伤亡。连杆螺栓的断裂事故，几乎全部发生于四冲程柴油机，这是因为四冲程柴油机的往复运动质量的惯性力在连杆螺栓上产生比较大的交变拉伸力，因此发生连杆螺栓断裂事故较多。 一、对连杆螺栓断裂的统计 根据日本海事协会对船用发电柴油机连杆螺栓断裂事故的调查报告，连杆螺栓断裂的位置和原因如下： 1．断裂位置 （1）在螺纹部分断裂的占46%； （2）中央圆角处断裂的占40%； （3）在螺栓头根部断裂的占10%。 2．断裂原因 （1）由于疲劳，占40%； （2）忘记装防止螺栓转动的开口销等，占25%； （3）上紧不良，占13%； （4）圆角不足等设计、加工不良，占12%； （5）材料本身存在缺陷，占12%。 二、故障实例 例1．某船柴油发电机为MAN G7V23.5/33，运行中发现频率下降，有敲击声，尚未停车听到一声巨响，第1缸被炸开。检查结果是第1缸右侧连杆螺栓断裂，断面有缩口；左侧连杆螺栓弯曲扭断；连杆大端轴承与平衡块飞落，曲柄销拉毛，杆身弯曲；缸套与活塞破碎；曲轴箱破裂。 原因分析：事故是由于右侧连杆螺栓在安装时预紧力过大，连杆螺栓被拉长超过规定值，在运转中被拉断。右侧螺栓断裂后，迫使左侧螺栓弯曲并带着下轴承盖撞击机体而断裂，致使连杆伸腿。 例2．某船A278-B型柴油发电机在运行中突然发出强烈的敲击声并停车，结果是第3缸连杆螺栓折断，连杆伸腿，使曲轴箱破裂，运动部件损坏。 原因分析：第3缸右侧连杆螺栓的开口销不知何时脱落，螺帽松脱，使右侧连杆螺栓脱落。连杆轴承成了单边紧固状态，使左侧连杆螺栓集中受力而断裂，致使连杆伸腿。 例3．某船MRB6型柴油发电机右侧连杆螺栓断裂，引起连杆轴承损坏、连杆弯曲、活塞裙部缺损、曲轴箱破裂等。 原因分析：断裂部位在连杆螺栓螺帽紧固的螺纹部分，断裂起点在螺栓内侧，而外侧螺帽紧配平面接触很紧，因上紧时接触面倾斜，螺栓中心线挠曲，产生应力集中。 三、对连杆螺栓的检查 对新换的螺栓和使用中的连杆螺栓要仔细检查后方可安装使用，其检查内容有：

高强度螺栓断裂失效分析

高强度螺栓断裂失效分析 韩志良 (常州机电职业技术学院机械系，常州213012) 马红卫，丁燕君 (常柴股份有限公司理化室，常州213002) 摘要：针对装配现场发生的几起高强度螺栓断裂失效事故，采用金相分析、化学成分分析和力学性能测试等方法进行检测。分析结果认为螺栓失效的原因有:(1)螺纹成形时产生裂纹，螺栓因之而脆断；(2)杆部与头部交接处表面脱碳、使局部强度降低而断裂；(3)装配时扭矩过大，螺栓明显缩颈而断裂；(4)原材料中心存在裂纹。 关键词：螺栓；裂纹；扭转；脱碳 高强度螺栓是发动机紧固件中最重要的零件之一，如连杆螺栓、缸盖螺栓、主轴承盖螺栓，要求强度等级为10.9级，有的甚至达12.9级。但在实际使用中，高强度螺栓(简称螺栓)断裂失效也时有发生。笔者就发生在装配过程中的四起高强度螺栓断裂失效逐一进行分析。 1 195连杆螺栓断裂失效分析 195连杆螺栓装配时断裂于螺纹处。从断口上看，断口平直，无缩颈，几乎没有裂纹萌生区，全部为最后瞬断区。零件供应商进行了失效分析，认为装配时连杆螺纹内夹入异物，阻碍了螺纹的拧紧，导致装配扭矩过大而断裂。 1.1 断口分析 由于断口表现出极大的脆性，如果是基于扭紧力矩过大而断裂，断口应表现出良好的塑性，因为拧紧时螺栓主要受扭转应力，而扭转试验的应力状态的柔性系数较大(大于拉伸试验)，材料易于塑性变形，而失效的螺栓并未表现出塑性。另外，断裂源也不在齿根部，而是有所偏离。 1.2 化学成分和显微组织分析 螺栓材料牌号为40Cr钢，强度等级10.9级，硬度要求32～38HRC，金相组织要求1～3级(JB/T8837-2000)。经检验，螺栓化学成分(质量分数)符合GB/T3077-1988之规定，见表1。显微组织为细的回火索氏体，按JB/T8837-2000评定为1级，其硬度值为34HRC和35HRC，硬度和显微组织均符合技术条件规定。经磁粉探伤未发现磁痕。 将螺栓从杆部与头部交接处纵向剖开，经金相制样、观察，结果在大部分螺纹的根部均有裂纹，即在断口附近和远离断口的螺纹处均存在裂纹，裂纹位置偏离“真正的”齿根部，裂纹的两侧无贫碳和脱碳，说明裂纹的形成与调质处理无关，见图1和图2。由于裂纹细小且位于螺纹根部，常规磁粉探伤未发现磁痕。

螺栓断裂原因分析

螺栓断裂原因的分析 一般情况下，我们对于螺栓断裂从以下四个方面来分析： 第一、螺栓的质量 第二、螺栓的预紧力矩 第三、螺栓的强度 第四、螺栓的疲劳强度 实际上，螺栓断裂绝大多数情况都是因为松动而断裂的，是由于松动而被打坏的。因为螺栓松动打断的情况和疲劳断裂的情况大体相同，最后，我们总能从疲劳强度上找到原因，实际上，疲劳强度大得我们无法想象，螺栓在使用过程中根本用不到疲劳强度。 一、螺栓断裂不是由于螺栓的抗拉强度： 以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力载荷是20吨，高达它自身重量的十万倍，一般情况下，我们只会用它紧固20公斤的部件，也只使用它最大能力的千分之一。即便是设备中其它力的作用，也不可能突破部件重量的千倍，因此螺纹紧固件的抗拉强度是足够的，不可能因为螺栓的强度不够而损坏。 二、螺栓的断裂不是由于螺栓的疲劳强度： 螺纹紧固件在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次。换句话说，螺纹紧固件在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了它大能力的万分之一，所以说螺纹紧固件的松动也不是因为螺栓疲劳强度。 三、螺纹紧固件损坏的真正原因是松动： 螺纹紧固件松动后，产生巨大的动能mv2，这种巨大的动能直接作用于紧固件及设备，致使紧固件损坏，紧固件损坏后，设备无法在正常的状态下工作，进一步导致设备损坏。 受轴向力作用的紧固件，螺纹被破坏，螺栓被拉断。 受径向力作用的紧固件，螺栓被剪断，螺栓孔被打成橢圆。 四、选用防松效果优异的螺纹防松方式是解决问题的根本所在： 以液压锤为例。GT80液压锤的重量是1.663吨，其侧板螺栓为7套10.9级M42螺栓，每根螺栓的抗拉力为110吨，预紧力取抗拉力一半计算，预紧力高达三、四百吨。但是螺栓一样会断，现在准备改成M48的螺栓，根本原因是螺栓防松解决不了。 螺栓断裂，人们最容易得出的结论是强度不够，因而大都采用加大螺栓直径强度等级的办法。这种办法可以增加螺栓的预紧力，其摩擦力也得到了增加，当然防松效果也可以得到改善，但这种办法其实是一种非专业的办法，它的投入太大，收益太小。 总之，螺栓是：“不松不断，一松就断。”

螺纹紧固件失效分析案例(第1部分)

螺纹紧固件失效分析案例 全国紧固件标准化技术委员会 机械工业通用零部件产品质量监督检测中心 二〇〇八年6月

序 机械产品失效是一门关于研究机械产品质量的综合性技术学科，主要研究失效的规律与机理。机械零件的失效是在特定的工作条件下，当其所具备的失效抗力指标不能满足工作条件的要求时发生的。导致零件失效的本质原因可能是材料本身的失效抗力不足，也可能是零件存在与设计或制造等过程有关的缺陷。产品的早期失效往往是产品质量低劣或质量管理不善及科学技术水平不高的直接反映。失效发生后能否尽快作出正确的判断，确定失效原因，制定防止失效的措施，则是衡量有关科技人员技术水平的重要标志。加入WTO后，我国的产品将参与国际市场的竞争，于是提高产品质量成为提高竞争力的关键因素。失效分析则是定量评定产品质量的重要基础，也是保证产品可靠性的重要手段。 机械科学研究总院、机械工业通用零部件产品质量监督检测中心在进行大量失效分析的基础上（包括对断裂、腐蚀和磨损的深入研究，特别是断口、裂纹和痕迹分析），分析了可能出现失效的形式和类型，以供大家在生产中借鉴，在生产工艺中加以避免出现失效的可能；同时，在今后的质量纠纷中维护自己的正当权益。 机械工业通用零部件产品质量监督检测中心熊学端研究员从事了几十年失 效分析研究工作，有很深的理论造诣，积累了丰富的失效分析经验，本文中列举了部分螺纹紧固件失效分析案例，希望能够为生产企业及用户提供良好的参考和借鉴；同时，中心愿为生产企业和用户在今后的失效分析中提供技术咨询和指导。 全国紧固件标准化技术委员会

目 录 第一部分 失效分析概述 (1) 1. 失效定义 (1) 2. 失效分析的意义、目的 (1) 3. 失效的来源 (1) 4. 失效分析的思路、方法 (1) 5. 断口分析 (2) 6. 断口分析部分名词术语 (3) 第二部分 失效分析案例 (7) 1. 汽车上臂螺栓断裂原因分析 (7) 2. 溜冰鞋螺钉、螺母断裂原因分析 (12) 3. 紧定螺钉断裂原因分析报告 (20) 4. 连杆螺栓断裂原因分析 (25) 5. 汽车轮毂螺栓断裂原因分析 (29) 6. M8×55高强度螺栓断裂原因分析 (33) 7. 高压开关螺栓断裂原因分析报告 (37) 8. 沟槽刚性接头紧固螺栓断裂原因分析报告 (42) 9. 定位螺钉断裂原因分析 (47) 10. M36×280高强度螺栓断裂原因分析 (53) 11. 高压线塔联结螺栓断裂原因分析 (59) 12. 中压电器用螺栓断裂原因分析报告 (64) 13. 网架螺栓断裂原因分析 (66) 14. 螺钉断裂原因分析 (69) 15. 吊环螺钉断裂失效分析 (73) 16. 螺栓失效原因分析 (79)

循环水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析

循环水泵膜片联轴器螺栓断裂原因分析 摘要：本文利用强度校核的方法，分析了膜片联轴器螺栓断裂的原因并对螺栓的装配方式提出了改进建议。 关键词：膜片联轴器 螺栓断裂 强度校核 扭矩 1前言——某厂循环水装置新安装的一台双吸型离心式水泵运行仅三天便发生了联轴器螺栓断 裂的现象。断裂部位：螺纹根部。新更换的联轴器螺栓在安装时严格按照说明书对联轴器中心、螺栓扭矩进行质量控制，但类似现象再次发生。 运行工况： 驱动电机功率：350KW ， 转速：1845r/min 联轴器形式：单金属膜片联轴器 联轴器螺栓： 螺纹规格：M16 ；拧紧力矩250N ·M ；材质：40Cr ； 数量：8件 1.1螺栓受力状态分析 膜片联轴器（又称金属叠片联轴器）由若干个叠合的金属膜片用螺栓交错地与两半联轴器（又称半对轮）连接而成，利用金属膜片的弹性变形来补偿两轴的相对偏移。设备运转过程中，联轴器依靠膜片与半对轮之间的正压力产生的摩擦力来传递扭矩。这种正压力为螺栓的预紧力。显然联轴器螺栓为紧连接状态。螺栓危险截面——螺纹根部小径处除受拉应力外，还受到螺纹拧紧力矩所引起的扭转应力。若螺栓预紧力过小，膜片同半对轮间产生的摩擦力不足以传递扭矩，那么膜片与半对轮将产生相对滑移，螺栓进而承受一定的剪切力。 为了判断螺栓是否承受剪切力，必须校验膜片与半对轮间的摩擦力。 对于M10—M68的粗牙螺纹，拧紧力矩T 同预紧力a F 之间的关系为 【1】 ： d F T a 2.0≈ (1) 式中： m m d 螺纹公称直径- KN F a 螺栓预紧力- 则: d T F a 2.0= (2) 膜片同半对轮间的静摩擦力f 为： μa o F n f = (3) 15.0=-μμ擦系数，半对轮同膜片间的静摩 4=-o o n n 半对轮侧的螺栓数量，

汽车悬置螺栓断裂失效分析

汽车悬置螺栓断裂失效分析 发表时间：2018-05-23T17:22:09.973Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：姚瑶 [导读] 摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。 江淮汽车集团股份有限公司乘用车制造公司安徽合肥 230601 摘要：本文分析了发动机安装支架和发动机支架的疲劳断裂问题。对螺栓的宏观、扫描电镜、化学成分和金相分析进行了分析，并对同一批次螺栓进行了力学性能试验。在各种物理化学试验的基础上，结合显微断裂和断裂机理，分析了螺栓的断裂原因。 关键词：汽车；悬置螺栓；失效分析 1前言 在开发多车发动机支架的过程中，将车辆用于发动机锻造钢悬架。在常规车辆的道路试验中，连接螺栓和螺栓断裂。本文从螺栓、螺柱断裂类型、螺栓连接强度计算和结构设计等方面分析了连接失效分析，并提出了改进建议。 2分析的内容 2.1分析样本 分析样品是一个完整的螺栓失效螺栓和失效螺栓。完整的螺栓是全新未使用的。 2.2分析内容 进行了断裂分析、化学成分分析、硬度测试、金相分析、扫描电镜和能谱测试。对完整的螺栓进行了化学成分分析、硬度测试、拉伸试验和金相分析。 2.2.1宏观断口分析。 断裂的连杆被分成两部分：螺纹部分的断裂部分留在连杆的深孔中，螺栓的另一部分暴露在外。打开螺丝孔后，将断头取出，螺孔内螺纹有外拉的痕迹。通过与相同模型的完全螺栓比较，发现螺栓的断裂位置位于螺纹的第一齿位置，螺纹部分没有明显的塑性变形。由于暴露螺钉的二次损伤，存在明显的多重冲击痕迹，杆体严重变形。虽然断裂具有一定的疲劳特性，但断裂边缘明显受到破坏。因此，暴露的螺杆部分没有断裂分析值。 2.2.2化学成分分析 样品采用螺栓，化学成分符合设计人员的技术要求。 2.2.3光学金相分析。 对失败螺栓基体的金相组织进行分析，组织相对均匀。在螺栓表面附近的组织形态学中未发现明显的脱碳。金相检查未发现异常。 2.2.4硬度分析。 结果表明，断裂螺栓的硬度与设计要求一致。 2.2.5SEM分析 采用扫描电子显微镜观察螺栓孔内的断裂情况，发现裂纹源位于断裂边缘。源区域面积较小，瞬时区域面积约为1/2。通过安装位置对准，线的螺纹有向外拉的位置。源区域的部分增大，疲劳阶段从断裂边缘开始，有许多与裂纹扩展方向垂直的小的疲劳条纹。 在源区没有明显的夹杂物和不均匀的冶金缺陷。随着裂纹扩展，疲劳条纹变得越来越长。在裂缝快速膨胀区，有一个明显的酒窝形状。扫描电镜（sem）在螺纹上观察，发现裂纹与断裂源部分平行。横截面的外表面有许多微裂纹。螺纹表面没有明显的加工缺陷。螺杆断裂为多个断口源，断裂源集中在截面的同一侧，锚杆和瞬态断裂带占整个断裂的比例（近1/2），这是典型的大应力低周疲劳断裂特征。通过对螺纹的观察，发现加工缺陷引起的应力集中，除了疲劳裂纹外，没有发现。因此，扫描电子显微镜（sem）的结果表明，连杆的断裂是在高单向弯曲循环加载作用下形成的。 3基于VDI2230方法的连接计算分析。 机械设计手册主要是指国家标准的螺栓连接计算方法。与VDI2230的计算方法相比，计算方法略粗糙，前考虑不全面。本文采用VD12230方法计算悬吊支架的连接，从表面处理、摩擦系数、结构尺寸、预紧力矩等方面分析了螺栓的连接强度。通过道路光谱采集，获得了悬吊支架的载荷和横向载荷，并得到了悬架的横向载荷。通过实验得到了连接结构的摩擦系数。 表一：摩擦系数 （1）使用VDI2230方法（MDESIGN分析软件）的帮助下，螺栓疲劳应力幅值是80mpa，电泳锻钢悬置支架的抗滑安全系数引擎联接螺栓底部SG=1.5，小于VDI2230SG1.8或更高的设计要求、安全系数；锻钢支架山经过电泳处理（相对结表面之间的摩擦系数是0.18），，通过嵌入预应力损失预紧的损失（VDI2230嵌入式）。因为螺栓利用率是72.3%，可以满足连接的安全系数增加扭矩。然而，螺栓的应力幅值很小，当扭矩接近屈服时，螺栓的应力幅值仍然高达71MPa。 （2）如果连接支撑面不进行电泳（螺栓的摩擦系数为0.23），则螺栓连接防滑的安全系数为SG=1.92，满足连接安全系数的要求；螺栓应力幅值为62MPa，不满足螺栓疲劳应力的要求。 （3）采用电导支架，然后螺栓扭矩增加，使螺栓计算利用率达到95%，螺栓疲劳应力幅值仍高达56mpa，仍然不能解决螺栓疲劳应力幅值过大的问题。结果表明，单纯增加预应力不能解决锚杆的疲劳破坏，表明锚杆应力幅值过大，导致螺栓疲劳断裂。 （4）通过增加基础凸集的3毫米直径，增加的面积的利用率95%结表面和螺栓，螺栓应力幅值明显降低，增加了底座直径的螺栓疲劳失效后问题解决了道路试验。指出零件结构的尺寸设计对螺栓连接的疲劳性能有重要影响，是提高螺栓连接在允许结构下的疲劳性能的一种方法。 （5）当然，在这种连接结构中，在弯矩作用下，3个紧固点分布，在弯矩作用下容易发生接触面积，在螺栓应力打开后会急剧增加，最终导致疲劳失效。如果你考虑在三角形分布中变化的扣分，可以有效地减少弯曲力，在三个螺栓上的载荷分布可以更均匀，防止单个螺栓发生早期疲劳断裂失效。然而，在发动机室空间中，很难进行有足够空间的三角形连接布置。

螺栓断裂原因分析

螺栓断裂原因分析 螺栓的抗拉强度比想象中强得多，以一只M20×80的8.8级高强螺栓为例，它的重量只有0.2公斤，而它的最小拉力载荷是20吨，高达它自身重量的十万倍，一般情况下，我们只会用它紧固几十公斤的部件，只使用它最大能力的千分之一。即便是设备中其它力的作用，也不可能突破部件重量的千倍，因此螺栓的抗拉强度是足够的，不可能因为螺栓的强度不够而损坏。 很多螺栓断裂的最终分析认为是超过螺栓的疲劳强度而损坏，但是螺栓在横向振松实验中只需一百次即可松动，而在疲劳强度实验中需反复振动一百万次才会损坏。换句话说，螺栓在使用其疲劳强度的万分之一时即松动了，我们只使用了螺栓能力的万分之一，所以说螺栓的损坏也不是因为螺栓疲劳强度。 静态紧固用螺栓很少会自行松动，也很少出现断裂情况。但是在冲击，振动，变载荷情况下使用的螺栓就会出现松动和断裂的情况。 所以我认为螺栓损坏的真正原因是松动。螺栓松动后，螺纹和连接件之间产生微小间隙，冲击和振动会产生巨大的动能mv^2，这种巨大的动能直接作用于螺栓，受轴向力作用的螺栓可能会被拉断。受径向力作用的螺栓可能会被剪断。 因此设计时，对于关键的运动部位的连接紧固要注意防松设计。 自锁螺母尼龙锁紧螺母以上为两种形式的锁紧螺母。 对于弹簧垫片的放松效果，一直存在争议。 弹簧垫圈的放松原理是在把弹簧垫圈压平后，弹簧垫圈会产生一个持续的弹力，使螺母和螺栓连接副持续保持一个摩擦力，产生阻力矩，从而防止螺母松动。同时弹簧垫圈开口处的尖角分别嵌入螺栓和被连接件的表面，从而防止螺栓相对于被连接件回转。

以M16螺栓连接为例，实验显示用约10N.m的螺栓预紧力矩就可以将16弹簧垫圈完全压平。弹簧垫圈只能提供10N.m的弹力，而10N.m的弹力对于280N.m的螺栓预紧力矩来说可以忽略，其次，这么小的力，不足以使弹簧垫圈切口处的尖角嵌入螺栓和被连接件表面。折卸后观察，螺栓和被连接件表面都没有明显的嵌痕。所以，弹簧垫圈对螺栓的防松作用可以忽略。另外，在螺栓与被连接件之间增加一个垫圈，如果垫圈质量有问题，相当于给螺栓连接又增加了一个安全隐患。

螺栓断裂的原因

螺栓断裂的原因 柴油机的连杆螺栓是一次性使用的，不允许重复使用。如果重复使用连杆螺栓，由于受力较大，螺栓拉长，极易造成轴瓦由于螺栓紧固力量不足而发生滚瓦烧瓦事故;同时由于紧固力量不足，轴瓦和曲轴轴颈的配合间隙增大，导致机油压力低，造成轴瓦的过度磨损而出现烧瓦事故。柴油机系高强化柴油机，连杆受冲击负荷较大，较普通的柴油机大许多，连杆螺栓重复使用极易导致断裂，打坏发动机气缸体，导致发动机报废。有的单位虽然更换了连杆螺栓，也出现了断裂故障，有个别的发动机在运行中连杆螺栓突然断裂。 故障的原因： ①装配时扭紧力矩过大，用力不均匀。由于装配中没有严格的配用扭力扳手，具体扭紧力矩又不太了解，认为越紧越好;紧固连杆螺栓用较长的加力杆，扭紧力矩过大，超过了螺栓材料的屈服极限，使连杆螺栓出现屈服变形，使之在冲击载荷的作用下因过度的伸长而断裂。应强调的是，广定要按标准扭紧连杆螺栓，千万不能认为越紧、力量越大越好。 ②柴油机的连杆分多种级别，在检修中应注意不能换用不同级别的连杆。如果在检修中由于马虎不仔细将连杆盖搞乱、错装，会造成连杆大头结合面的配合不紧密，在发动机运行中会造成连杆盖松动而导致连杆螺栓的断裂。WD615系列柴油机连杆大头为斜切口型，斜切角呈45°，连杆盖和连杆大头结合面采用60°锯齿形定位结构，这种结构具有贴合紧密、定位准确、可靠、结构紧凑的特点。如果在维修中将连杆盖搞乱、错装，势必会造成结合面锯齿定位不好，极易造成发动机在工作中连杆盖的松动，而导致连杆螺栓的断裂。 ③柴油机在运行中出现飞车故障或活塞在气缸内烧死的故障，将连杆螺栓拉断。如果发动机在使用中出现过飞车的故障，应对发动机做一次全面检查，最好更换连杆螺栓;如果在运行中个别气缸出现过较严重的拉缸，在更换气缸活塞组件时也应将连杆螺栓更换。 ④材质问题、加工缺陷及热处理工艺问题也会导致连杆螺栓在发动机运行中出现断裂。 预防措施 ①每次运行12000km进行二级保养时，均应拆卸发动机油底壳，检查发动机轴瓦的使用情况，如果发现个别轴瓦间隙过大，应更换，更换同时也应更换连杆螺栓。平时运行中如果发现发动机运行不平稳，有异响，也应及时停车检查。

螺纹紧固件失效分析案例(第2部分)

5．金相组织 分别对未断与断裂螺钉和螺母各1件纵向解剖进行金相观察。图8为试样末浸蚀时的低倍形貌。 a 25× b 50× c 25× 图8 螺钉纵剖金相磨面（a、b—螺钉，c—螺母） 从图可以清楚地看到，螺钉在牙的侧面存在明显的裂纹，每个牙上裂纹的位置与形态完全一致，将裂纹放大后（图8b）可以明确判断，上述裂纹实际上是螺钉在搓丝过程中形成的折叠。折叠处（图8b中的A处）的显微硬度为540HV ， 0.05明显要高于其他部位的渗碳层的硬度，此系A处两面渗碳的结果，这点同时也说明上述裂纹在热处理前业已存在。 另外，对一个断裂的螺钉解剖后发现，在过渡圆角处存在细微裂纹（图9），浸蚀后观察，该裂纹沿晶扩展（图10），这与断口源区扫描电镜下观察到的沿晶断裂特征（图3）完全吻合。在裂纹周围也未发现非金属夹杂物聚集和沉淀相析出。 图9 断裂螺钉圆角处的裂纹50× 图10 图9裂纹浸蚀后的放大形貌500×

螺母牙顶形成双峰（图8C），这也是搓丝工艺不当所形成的。双峰鞍部形成的不规则尖缺口将对随后的热处理及使用均将产生不利影响。 图11为螺钉渗碳层的低倍形貌及渗层组织，渗碳层为回火屈氏体。断裂与未断裂螺钉的芯部组织均为板条马氏体，未断螺钉的马氏体板条更粗大些（图12）。 25× 100× 图11 螺钉渗碳层形貌及组织 a断裂螺钉 b未断螺钉 图12 螺钉的芯部组织500× 图13为螺母的渗碳层组织，断裂与未断裂螺母的渗碳层组织相同，均系回火屈氏体。断裂螺母与未断裂螺母的芯部组织则完全不同（图14）。 图13 螺母的渗碳层组织250×

a 断裂螺母 b 未断螺母 图14 螺母的芯部组织 500× 断裂螺母芯部组织为绌片状珠光体+铁素体，而未断者为板条马氏体。这与表1中螺母测定的硬度值完全对应。 6.含氢量分析 根据螺钉断口形貌特征及延时断裂特征，加之螺钉经酸洗后镀锌，怀疑有渗H 2 现象[1]。因此，对螺钉进行了含氢量测定，采用高频加热——热导法 （QB-Q-05-81）。为了对比，对螺钉和螺母经除H 2处理与未除H 2 处理（原始态） 各1件进行了测定。结果如表2。 表2螺钉H2含量 原始态 含H2量0.0005（5ppm） 螺钉 220℃×3h除H2含H2量0.0006（6ppm） 原始态 含H2量0.0006（6ppm） 螺母 230℃×3h除H2含H2量0.0003（3ppm） 显然，螺钉镀锌过程中已显著渗H 2 ，尽管尝试了除氢处埋，螺钉没有显示出效果(和除氢温度和时间不够有关)，螺母中的含氢量虽降低了一半，但仍然很高。 三、结果分析 1．原材料 从螺钉、螺母的金相组织可以初步判断，材料为低碳钢。螺钉的断裂表明与材料成分没有关系，因此对材料的化学成分未作且也无必要进行分析。 螺钉的非金属夹杂物未见异常。 2．机加工 从检验结果可以明显看出，无论是螺钉还是螺母，在机加工过程中均存在明显的缺陷。螺钉在搓丝过程中产生了严重的折叠，折叠形成的尖锐缺口，在随后的热处理过程中极易诱使缺口继续扩展。另外，这种折叠缺口沿周向分布，与外加载荷主应力垂直，由于应力集中效应，很容易使螺钉拧紧时产生的拉应力作用下造成裂纹缓慢扩展，最终导致失稳断裂。 螺钉双峰齿顶的形成同样也是加工螺纹时工艺不当产生的，双峰之间鞍部的尖锐缺口对螺钉的使用性能不利。 3．热处理 检验结果表明，螺钉和螺母渗碳层分布及组织没有发现异常。但断裂螺母的芯部组织为P+F混合组织，完伞不同于未断螺母的板条马氏体组织。P+F混合组

螺栓断裂失效原因分析

测试与分析 螺栓断裂失效原因分析 华南理工大学机电系(广州　510641)　高　岩　李　林　许麟康 【摘要】　合金结构钢(相当于我国35CrMo钢)制螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,在生产线上用气动搬手装配时相当部分发生断裂。失效分析结果表明,机加工时螺纹根部及表面形成微裂纹,以及回火不足,硬度偏高,共同造成了螺栓失效。 关键词:低合金钢　螺栓　微裂纹 F ailure Analysis on the Fracture of Bolts G ao Yan,Li Lin,Xu Linkang (Department of Mechano2Electronic Engineering,S outh China University of Technology,Guangzhou510641)【Abstract】　A batch of bolts with size of M4×1135used to connect cylinder body and cover of air conditioner com pressor were made of imported low alloy steel close to35CrMo in com position1However,a great proportion of the bolts fractured when being assembled us2 ing pneumatic spanner1After failure analysis,it was found that the main reason for the ru pture of bolts was the micro2cracks induced by machining.At the same time,non2enough tempering which resulted in the brittleness of the material also accounted for the fracture1 K ey w ords:low alloy steel,bolt,micro2crack 某标准件公司一批螺栓,规格为M4×1135,材料为合金结构钢,相当于我国的35CrMo钢,冷墩头部,搓制螺纹,热处理工艺为淬火+回火,并进行发兰处理,规定σb>1000MPa, (32～38)HRC。螺栓用于空调压缩机内连接气缸体与气缸盖,但在生产线上用气动搬手装配时相当部分螺栓在与螺栓交截的第二、第三螺纹牙根处发生断裂。我们对该批螺栓的断裂原因进行了分析。 1　金相观察及硬度分析 在一批断裂螺栓中随机选取2个断裂螺栓头,将其沿轴向剖开,制备轴向剖面的金相试样,抛光状态(未侵蚀)下可见在螺纹尖端和根部有明显裂纹存在(图略);这些微裂纹由于高度的应力集中,在外力作用下极容易发生失稳扩展,从而导致螺栓断裂。 将上述抛光态试样用3%硝酸酒精溶液侵蚀后在显微镜下观察,发现其组织形态都很相似,为保持原马氏体位向的回火索氏体,见图1所示。35CrMo钢用作螺栓时,应有较好的综合力学性能,其组织应以调质状态为佳,即淬火+回火后得到回火索氏体。而本例中螺栓组织状态虽是回火索氏体,但原马氏体位向十分明显,显然会使材料的塑性和韧性受损,脆性增加,材料硬度也会增加。沿螺牙顶端到根部依次打硬度,所得结果见表1,可见硬度范围为(37～41)HRC,偏高于螺栓规定的硬度范围。螺栓硬度偏高的原因主要是回火不足或不充分造成的。 2　扫描电镜观察分析 为弄清螺栓断裂的机理,按断口形貌特征选取了9个样品,将其用物理方法清洗干净后置于扫描电镜下进行观察,发现断口有3种类型:第1类是断口边缘只有一个剪切唇(1号样品),第2类是断口边缘有2个剪切唇(2号样品),第3 高岩:女,35岁,工学硕士,讲师,曾以访问学者身份在葡萄牙焊接质量研究所(ISQ)工作,兼任中国机械工程学会失效分析分会失效分析工程师。主要从事高温合金,金属材料的腐蚀与防护,失效分析及工业设备寿命评估等方面的工作。已在国内外学术刊物上发表论文10余篇。收稿日期:1997年8月19 日。 图1　螺栓基体组织　×500 表1　螺栓的硬度HRC 选点12345 试样14137393937 试样24039.5413937 类是断口边缘有3个剪切唇(3号样品),且以第3类断口数量居多。图2是2号样品的宏观断口形貌。这些断口边缘除剪切唇处或凸起或凹进以外,其余边缘处都较平滑,这与一般断裂由心部起源,最后断裂边缘处为杯口状剪切唇的断口形貌特征显然不同,而且,从断口的放射辉纹的走向看,断裂的起源都在断口的边缘即螺纹的根部上,而不是在螺栓的心部。对3类断口分别在扫描电镜下进行了详细的观察,图3a～3d 为2号样品的微观形貌。a是始断区,从右侧的螺纹面上可见明显发兰处理后的表面氧化膜,在螺纹面与断口的交界处(即螺纹根部)可见二次裂纹和摩擦痕存在;将a放大至b,可见摩擦痕底下是氧化物,而摩擦痕明显位于断口一侧,由此可以推断:此摩擦痕处在断裂前就已经有裂纹存在,裂纹为搓制螺纹时所产生,在随后的发兰处理过程中此裂纹内部也进行了发兰处理,形成了氧化膜,其形态与螺旋表面的发兰膜相 43《金属热处理》1998年第2期

新氢压缩机连杆螺栓断裂失效分析

新氢压缩机连杆螺栓断裂失效分析 发表时间：2018-05-24T10:26:11.110Z 来源：《基层建设》2018年第6期作者：卢忠元 [导读] 摘要：连杆螺栓作为高强度螺栓，是压缩机紧固件中最重要的零件之一。 南京金陵石化建筑安装工程有限公司江苏南京 210033 摘要：连杆螺栓作为高强度螺栓，是压缩机紧固件中最重要的零件之一。连杆螺栓工作时承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力，在压缩机运转过程中，一旦断裂将引起严重事故。因此连杆螺栓要具有足够的强度、冲击韧性和疲劳抗力。通过采用断口分析、硬度检测和金相检测等方法，对整车检测线发生断裂的压缩机连杆螺栓的失效原因进行分析，采取预防措施防止质量缺陷产生。 关键词：压缩机；连杆螺栓断裂失效分析 前言 压缩机连杆螺栓材料为SCM435（国标牌号35CrMo），强度等级要求为10.9级。在实际使用中，高强度螺栓断裂失效时有发生，其后果和损失也极为严重。由售后服务人员的统计数据发现，绝大多数连杆螺栓失效的事故里程不足10000km。故对早期失效进行分析和控制具有重要意义，而早期失效可能原因是加工制造过程中某些具有规律性的反常因素。本文对某单位整车检测线发生的一起连杆螺栓断裂案例进行失效分析，并从失效原因入手吸取经验教训和采取预防措施。在空压机研发过程中，连杆断裂是空压机致命故障。目前，连杆断裂故障的分析方法均为光学金相和电子探针分析仪等分析手段，针对故障连杆和连杆螺栓进行分析。然而，影响连杆断裂的原因是多样化且不可预判的，如果仅仅采用光学金相和电子探针分析仪的方法分析，只能判断故障件是否存在问题，并不能找出连杆断裂的真正原因。 1断裂连杆螺栓失效分析 某单位整车检测线车辆过制动检测工位时，压缩机突然熄火，经确认曲柄连杆击穿油底壳，右侧连杆螺栓断裂于螺杆中部，即连杆体与连杆盖的对口面。 1.1检验 1.1.1断口分析 断口较平坦，断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力近似成45°角；断口表面呈纤维状，颜色灰暗。断口附近有明显拉伸塑性变形，有一定程度颈缩。在体视显微镜下观察，断口附近3～4个螺纹牙范围内螺纹根部可见明显裂纹，分布范围在螺纹圆周30°区域内。从宏观形貌分析可知，裂纹先在右下方纤维区形成，然后向上方放射和向外扩展，当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓发生断裂。 二次纤维区有明显的等轴韧窝特征，即螺栓受到轴向拉应力作用形成。金属韧性断裂最主要特征就是韧窝，也称为迭波、孔坑、微孔、微坑等，韧窝特征的形成机理为空洞聚集，即显微空洞生核、长大、集聚直至断裂。一般来说，材料变形硬化指数越大，越难出现韧窝特征。受材料所受应力状态和第二相质点的形状、尺寸、分布，材料本身的相对塑性等影响，韧窝会表现出不同的大小和形状。 从断口宏观和微观分析可知，断裂断口为韧性断口，裂纹起源于右下部位，裂纹产生后向上放射和向外扩展，直至螺栓断裂。螺栓、螺孔结构中影响螺栓断裂的主要因素是过渡圆角过小，包括螺纹牙根、螺杆与螺栓头、退刀槽等处的过渡圆角，不仅产生应力集中，还因过渡圆角小，在热处理中容易产生较大的内应力，因此出现微裂纹或裂纹倾向，降低螺栓承载能力，外载荷与内应力共同作用使螺栓承受的载荷超过其极限，因此导致螺栓断裂。 1.1.2螺栓硬度检测 由此可见，螺栓材料硬度符合技术要求，且位于中值附近。 1.1.3螺栓金相检测及分析 采取距螺纹端部为螺栓直径的1.5倍处的横向截面取样，对剖切面进行金相磨抛，经4%硝酸酒精侵蚀，查看螺牙根部是否存在裂纹和脱碳现象。螺栓螺纹牙根部裂纹形貌，裂纹分布于距螺栓断口3～4个螺距范围的拉伸断裂缩颈区和螺纹齿根处，长约0.023～0.265mm，缩颈区以外的齿根处无裂纹，裂纹是螺栓受到拉伸力发生断裂过程中产生。在螺栓裂纹位置及螺牙表面未见明显脱碳现象。 1.2分析结论 综上，断裂连杆螺栓的硬度和金相组织都合格，螺纹牙未发现脱碳现象；连杆螺栓为正常的韧性断裂，断口无异常。 2弯曲连杆螺栓分析 左侧连杆螺栓未断裂，发生了轻微的弯曲，弯曲方向指向断裂螺栓一侧，弯曲螺栓的安装孔部分螺纹被破坏，且弯曲螺栓安装孔同侧的连杆体边缘有撞击痕迹，螺栓孔发生变形呈椭圆形。 2.1故障连杆螺栓拧紧过程分析 调查拧紧过程，得知3#断裂螺栓拧紧数据合格，4#弯曲螺栓第一次拧紧角度不合格，返修后第二次拧紧过程、最终扭矩和角度均合格。4#弯曲螺栓拧紧曲线，该螺栓拧紧至要求扭矩后有异常的拧紧下降过程，结合故障现象可推断该螺栓可能发生了滑牙。 2.2螺栓大中小径检测 螺栓大中小径符合技术要求。 2.3连杆体螺栓孔检测与分析 螺栓孔小径符合技术要求。零件供应商对故障件连杆体螺栓孔进行剖切和分析，认为连杆体螺栓孔螺纹开始部分存在平扣现象是其装配工序多次装配扭紧螺栓导致的。由于连杆螺栓扭矩异常或连杆多次扭紧导致螺纹起始处出现平扣/烂扣，操作者使用丝锥手动攻丝返修，因螺纹起始位置存在平扣/烂扣，丝锥不能按照设定的螺纹螺距进行螺纹返修，导致故障件连杆体螺栓孔的螺纹螺距出现二次加工，引起螺纹螺距和螺纹牙型异常。螺栓材料中疏松、气泡、夹渣和内裂纹的存在使材料的实际许用应力明显降低。一高强度螺栓断口的宏、微观分析表明，当断裂从裂纹源处起裂之后，断裂过程以快速、失稳方式进行扩展直至破断。这是由于材料内部存在很多微裂纹、微孔隙等微观缺陷，致其实际许用应力降低，这也是裂纹快速失稳扩展的先决条件。这些微裂纹的形成与冶炼时除气和造渣不彻底、后续锻造又不能完全消除有关 3建议 为减少装配时和装配后使用过程中的螺栓失效，有如下建议：①提高连杆螺栓、螺母及连杆的加工精度和加工质量，避免表面损伤和