汽车制造工艺学 题目:连杆加工工艺分析 系别：机械工程 班级：车辆0903 姓名：薄利杰 学号：20094152 老师：原老师 2012 年6 月8日
连杆加工工艺分析 内容摘要： 在现代的各个生产部门中所使用的机械，虽然是多种多样，其构造、用途和性能也个不相同，但各种不同的机械切用可能有相同的运动系统，即具有相同的机构。例如蒸汽机、内染机、火塞泵和曲轴冲床等不同机械，他们的主要组成都有曲柄滑块机构。连杆机构是由若干个杆状构件、销轴、滑块、导轨等组成。本文主要介绍连杆的功用与结构、连杆的工艺特点。 关键词： 一、连杆机构的结构和形式 1、构件的形式 连杆机构的构件大多制成杆状，但根据受力和结构等需要，并不一定都做成杆状，常见的形式为； （1）杆状，它的构造简单，加工方便，一般在杆长（运动）尺寸R胶大时采用。（2）盘状，有时它本身就是一个皮带轮或齿轮，在圆盘上距轴心R处装上销轴，以便和其他构件组成回转副，尺寸R为杆长。这种回转体的质量均匀分布，故盘状结构能比杆转的更适于较高的转速，常用做曲柄或摆杆。 （3）桁架和箱形梁，当构件较长或受力较大，采用整体式杆件不经济或制造困难是可采用这种结果形式。 （4）曲轴，结构简单，与它主成运动副的构件可做成整体式的，但由于悬臂，强度及杆度较差。当工作载荷和尺寸较大，或曲柄安置在转动轴的中间部分时，此形式在内燃机、压缩机等机械中经常采用，曲柄在中间轴劲处与连杆相连，连杆必须部分为连杆体和连杆盖，然后用螺栓将其拧紧。 2、运动副的形式 （1）回转副，可利用滑动轴承或滚动轴承组成回转副。滑动轴承的结构简单，但轴承间隙会影响构件的运动性质，当构件和运动副较多时，间隙引起的积累误差必增大。如采用滚动轴承作回转副，则磨檫损失小，运动副间隙小，启动灵敏，但专配复杂，两构件接头处的颈向尺寸较大，可用滚针轴承解决着一矛盾。 （2）移动副，组成移动副的两构件和各种导路的形式。带有调整板的T型导路：圆柱形导路：带有侧板棱柱形导路：V型导路：可调整的带有燕尾形的组合导路：滚珠的滚柱导路：带有滚柱的滚柱导路。 二、连杆的结构、材料与主要技术要求 连杆是较细长的变截面非圆形杆件，其杆身截面从大头到小头逐步变小，以适应在工作承受的急剧变化的动截荷。中等尺寸或大型连杆是由连杆体和连杆盖两部分组成，连杆体与连杆盖用螺栓和螺母与曲轴主轴劲装置在一起，而尺寸较小的连杆（如摩托车发动机用连杆）多数为整体结构。图1-1所示为柴油机的连杆零件图。 为了减少磨损和磨损后便于修理，在连杆小头孔中压入青铜衬套，大头孔中装有薄壁巴氏合金轴瓦。
16、轮盘连接高强度螺栓疲劳强度校核 说明： 轮盘在设备的设计使用寿命期限内，始终处于受压状态，其三根弦杆承受压力作用，轮盘的整体弯矩由内、外弦杆的压力调幅来平衡，弦杆法兰连接的高强度螺栓承受的、由单独弦杆的弯矩引起的交变力很小。 由于法兰结合面的载荷全部为压力载荷，故螺栓的工作应力都小于其预紧力，故螺栓的拉力载荷总在预紧力一下某一范围波动。对螺栓而言，保证法兰结合面不松开，其压力载荷越大，螺栓残余预紧力就越小，螺栓的拉力就越小。本文的计算模型转变为较小圆角过度的阶梯轴拉伸（如图一），校核过渡截面的疲劳应力。 观览车的运行速度很慢，每周循环的时间为20分钟，考虑50年的使用寿命期，每年300天，每天工作8小时，共运行300000次循环，选小于结构钢S-N曲线的转折点的循环次数，且本文的计算载荷为正常满载+15m/s风载的载荷情况，故计算结果有一定的保守性。 疲劳设计方法是一门以试验为基础的设计方法，本计算选取的疲劳性能数据选自国内公开的《机械设计手册》数据。 图一：计算模型
附：螺栓无限寿命校核说明书 一、螺栓参数和预紧力： 螺栓直径：M30x160 性能等级：10.9级 过渡圆角：r=0.5mm 螺栓材料的破断强度：1000MPa 螺栓副连接的相对刚度：m b b C C C +=0.25 选用的单个螺栓预紧力矩：Nm T 1600= 则预紧力：kN N d T Q p 2671067.2030 .02.016002.05=?=?== 二、螺栓组载荷： 主管法兰圆周应力分布及载荷谱： 530*30螺栓组主管件轴力， 六点方位N=-4729kN ，七点半N=-4487kN ，九点N=-3785kN ，十点半N=-3181kN ，十一点N=-2961kN ，十二点N=-2300kN ，一点N=-2960kN ，一点半N=-3253kN ，三点N=-3891kN ，四点半N=-4552kN 。 最大压力：kN F a 4729-= 换算到单个螺栓的最大压力载荷：kN F F a 39412/472912/-=-== 螺栓最小拉力：kN F F C C C Q Q m b b p 1680.25267min =+=++ = 最小压力：kN F a 2300-=
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
疲劳寿命分析方法 摘要：本文简单介绍了在结构件疲劳寿命分析方法方面国内外的发展状况,重点讲解了结构件寿命疲劳分析方法中的名义应力法、局部应力应变法、应力应变场强度法四大方法的估算原理。 疲劳是一个既古老又年轻的研究分支，自Wohler将疲劳纳入科学研究的范畴至今，疲劳研究仍有方兴未艾之势，材料疲劳的真正机理与对其的科学描述尚未得到很好的解决。疲劳寿命分析方法是疲分研究的主要内容之一，从疲劳研究史可以看到疲劳寿命分析方法的研究伴随着整个历史。 金属疲劳的最初研究是一位德国矿业工程帅风W.A.J.A1bert在1829年前后完成的。他对用铁制作的矿山升降机链条进行了反复加载试验，以校验其可靠性。1843年，英国铁路工程师W.J.M.Rankine对疲劳断裂的不同特征有了认识，并注意到机器部件存在应力集中的危险性。1852年-1869年期间，Wohler对疲劳破坏进行了系统的研究。他发现由钢制作的车轴在循环载荷作用下，其强度人大低于它们的静载强度，提出利用S-N 曲线来描述疲劳行为的方法，并是提出了疲劳“耐久极限”这个概念。1874年，德国工程师H.Gerber开始研究疲劳设计方法，提出了考虑平均应力影响的疲劳寿命计算方法。Goodman讨论了类似的问题。1910年，O.H.Basquin提出了描述金属S-N曲线的经验规律，指出：应力对疲劳循环数的双对数图在很大的应力范围内表现为线性关系。Bairstow通过多级循环试验和测量滞后回线，给出了有关形变滞后的研究结果，并指出形变滞后与疲劳破坏的关系。1929年B.P.Haigh研究缺口敏感性。1937年H.Neuber指出缺口根部区域内的平均应力比峰值应力更能代表受载的严重程度。1945年M.A.Miner 在J.V.Palmgren工作的基础上提出疲劳线性累积损伤理论。L.F.Coffin和S.S.Manson各自独立提出了塑性应变幅和疲劳寿命之间的经验关系，即Coffin—Manson公式，随后形成了局部应力应变法。 中国在疲劳寿命的分析方面起步比较晚，但也取得了一些成果。浙江大学的彭禹，郝志勇针对运动机构部件多轴疲劳载荷历程提取以及在真实工作环境下的疲劳寿命等问题，以发动机曲轴部件为例，提出了一种以有限元方法，动力学仿真分析以及疲劳分
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)
连杆分析报告 连杆是连接活塞和曲轴，并将活塞所受作用力传给曲轴，将活塞的往复运动转变为曲轴的旋转运动的机构。由连杆体、连杆大头盖、连杆小头衬套、连杆大头轴瓦和连杆螺栓（或螺钉）等组成。连杆组承受活塞销传来的气体作用力及其本身摆动和活塞组往复惯性力的作用，这些力的大小和方向都是周期性变化的。因此连杆受到压缩、拉伸等交变载荷作用。连杆必须有足够的疲劳强度和结构刚度。 1.工作情况 连杆受力状况： 在最大惯性力引起的拉伸力工况：连杆大、小头孔内作用的拉伸载荷PY = 187.66 KN；连杆长螺钉预紧PC =182.92 KN；连杆短螺钉预紧力Pd = 178.59 KN；来自轴瓦的过盈配合力。 连杆材料属性： 2.根据图纸建模
3.导入ANSYS有限元 将模型导入ANSYS中，如下
4.创建轴瓦和曲柄销活塞销 在孔中创建轴瓦和曲柄销活塞销，如图。（假设过盈量为0.001m）
5.划分网格 对该模型进行网格划分。由于结构复杂，采用四面体单元。同时由于结构大小存在差异，网格的大小也不相同，以保证网格数量少。划分网格后如下：
6.创建接触单元 把接触的面创建接触单元，对于所有存在螺栓的区域，均使用绑定约束。由于轴瓦和曲柄销之间存在油膜，将其摩擦系数设为0.1，其余皆为0.3。接触单元如下：
7.约束和加载 对于连杆螺栓要施加预紧力。约束曲轴销的两个面。并在活塞销上施加力。在曲柄销上施加约束，在活塞销上施加力。力的加载是一个比较复杂的问题，但在实际情况中，活塞销往往不易变形。因此耦合其对应节点的所有自由度，如下： 并在编号最小的节点施加载荷。最终模型如下：
细解Ansys疲劳寿命分析 2013-08-29 17:16 by:有限元来源:广州有道有限元 ANSYS Workbench 疲劳分析 本章将介绍疲劳模块拓展功能的使用: –使用者要先学习第4章线性静态结构分析. ?在这部分中将包括以下内容: –疲劳概述 –恒定振幅下的通用疲劳程序，比例载荷情况 –变振幅下的疲劳程序,比例载荷情况 –恒定振幅下的疲劳程序，非比例载荷情况 ?上述功能适用于ANSYS DesignSpacelicenses和附带疲劳模块的更高级的licenses. A. 疲劳概述 ?结构失效的一个常见原因是疲劳,其造成破坏与重复加载有关 ?疲劳通常分为两类: –高周疲劳是当载荷的循环（重复）次数高(如1e4 -1e9)的情况下产生的. 因此，应力通常比材料的极限强度低. 应力疲劳（Stress-based）用于高周疲劳. –低周疲劳是在循环次数相对较低时发生的。塑性变形常常伴随低周疲劳，其阐明了短疲劳寿命。一般认为应变疲劳（strain-based）应该用于低周疲劳计算. ?在设计仿真中, 疲劳模块拓展程序（Fatigue Module add-on）采用的是基于应力疲劳（stress-based）理论，它适用于高周疲劳. 接下来，我们将对基于应力疲劳理论的处理方法进行讨论. …恒定振幅载荷 ?在前面曾提到, 疲劳是由于重复加载引起: –当最大和最小的应力水平恒定时, 称为恒定振幅载荷. 我们将针对这种最简单的形式，首先进行讨论. –否则，则称为变化振幅或非恒定振幅载荷
…成比例载荷 ?载荷可以是比例载荷, 也可以非比例载荷:–比例载荷, 是指主应力的比例是恒定的,并且主应力的削减不随时间变化. 这实质意味着由于载荷的增加或反作用的造成的响应很容易得到计算.–相反, 非比例载荷没有隐含各应力之间相互的关系,典型情况包括:?在两个不同载荷工况间的交替变化?交变载荷叠加在静载荷上?非线性边界条件
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：
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 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。
影响螺栓疲劳性能的主要因素有以下几点： 1、螺纹牙谷形状和半径尺寸的影响。 螺栓受力时，螺纹牙谷处就会产生应力集中，其值在很大程度上取决于牙谷的形状。改变牙谷的形状，如螺纹的牙谷槽越平滑，应力集中就越小，疲劳强度则越高。一般而言，平底牙谷的螺纹疲劳强度最低。如以圆形牙谷代替平底牙谷，螺栓的疲劳强度便可得到提高。如平底螺纹牙谷的弹性应力集中系数为2.54，而改进的圆弧牙谷为1.52，即后者的牙谷应力集中系数较前者降低40%，从而可以使疲劳强度至少提高20%；如经调质处理的40CrNiMo钢制螺栓，螺纹为M6-1.0的平底牙谷时疲劳强度为95MPa，而采用最大半径为0.1mm的圆弧形牙谷时，其疲劳强度可以提高到120MPa，即提高26%。日本新日铁公司新开发的CD（critical design for fracture）螺栓的疲劳强度提高的幅度更大，高达100%，CD螺栓的主要特点是螺母内螺纹的牙峰高度逐渐降低，以使其受力更均匀。 2、螺纹表面粗糙度的影响。 螺纹的表面粗糙度对螺栓的疲劳寿命影响很大。如螺纹为M6-1.0的40CrNiMo钢制螺栓，其粗糙度由0.08～0.16降低到0.63～1.35时，疲劳强度下降33%；螺纹为M12-1.5的螺栓，其表面粗糙度由0.08～0.16降低到0.16～0.32时，疲劳强度下降21%。 3、螺纹滚丝工序的影响。 滚压螺纹会产生形变强化层和较高的残余压应力，对阻止疲劳裂纹的萌生和早起扩展起到很大的作用；同时，也会降低牙谷的表面粗糙度，因而有利于螺栓疲劳强度的提高。但是，如果滚压螺纹后再进行热处理，就会使上述有利因素消失。所以从改善螺栓疲劳性能的角度考虑，应在热处理后滚压螺纹。但此时存在另一个问题，即螺栓特别是高强度螺栓经过热处理后其硬度通常较高，致使滚丝模具寿命降低。此外，如果滚丝的质量不够好，在螺纹的表面或根部产生微裂纹或类似接触疲劳的剥落现象，则改善螺栓疲劳性能的效果不明显，甚至会降低疲劳性能。 4、钢材冶金缺陷的影响。 原材料表面脱碳，通常是在轧制加热过程中对坯料表面没有有效的保护所
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)
一.本章的教学目的与要求 本章主要介绍材料的疲劳性能，要求学生掌握疲劳破坏的定义和特点，疲劳断口的宏观特征，金属以及非金属材料疲劳破坏的机理，各种疲劳抗力指标，例如疲劳强度，过载持久值，疲劳缺口敏感度，疲劳裂纹扩展速率以及裂纹扩展门槛值，影响材料疲劳强度的因素和热疲劳损伤的特征及其影响因素，目的是为疲劳强度设计和选用材料建立基本思路。 二．教学重点与难点 1. 疲劳破坏的一般规律（重点） 2．金属材料疲劳破坏机理（难点） 3. 疲劳抗力指标（重点） 4.影响材料及机件疲劳强度的因素（重点） 5热疲劳（难点） 三．主要外语词汇 疲劳强度：fatigue strength 断口：fracture 过载持久值：overload of lasting value 疲劳缺口敏感度：fatigue notch sensitivity 疲劳裂纹扩展速率：fatigue crack growth rate 裂纹扩展门槛值：threshold of crack propagation 热疲劳：thermal fatigue 四. 参考文献 1.张帆，周伟敏.材料性能学.上海：上海交通大学出版社，2009 2.束德林.金属力学性能.北京：机械工业出版社，1995 3.石德珂，金志浩等.材料力学性能.西安：西安交通大学出版社，1996 4.郑修麟.材料的力学性能.西安：西北工业大学出版社，1994 5.姜伟之，赵时熙等.工程材料力学性能.北京：北京航空航天大学出版社，1991 6.朱有利等.某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析[J]. 装甲兵工程学院学报，2010,24（5）：78-81 五．授课内容
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。
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
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