汽車用螺栓和墊圈組合件失效分析
江純偉 陳琦峰 朱凌靜 凌婷 王平 王慧
摘要：針對安裝於某車型的六角頭螺栓和墊圈組合件中的螺栓在臺架試驗時發生斷裂失效的問題，採用掃描電鏡、金相檢驗、力學性能檢驗、化學成分分析、摩擦因數試驗等方法對其螺栓斷裂原因進行了分析。結果表明，螺栓的斷裂性質是疲勞斷裂，主要原因是由於組合件中墊圈硬度過低，在預緊扭矩下發生塑性變形致使螺栓預緊力不足，最終引起螺栓疲勞斷裂。
關鍵詞：螺栓和墊圈組合件；臺架試驗；疲勞；預緊力
汽車用螺栓和墊圈組合件安裝於汽車的某些部位，其作用非常重要。一個螺栓的斷裂失效都會造成安全隱患，會對人身和財產造成重大損失。廠方提供六角螺栓墊圈組合件斷裂件兩件，完好件若干件，規格為M12×42，螺栓性能等級為10.9級，材質為SCM435，螺栓製造工藝為：成型—輾牙—去磷—熱處理—塗覆，廠方未提供墊圈材質與性能信息，組合件表面進行達克羅處理。該組合件用於連接車輛後轉向節與後輪轂，在臺架試驗過程中出現斷裂，失效概率為60%
～70%，廠方要求分析斷裂原因。
1 理化檢驗
1 斷口分析
圖 1 所示為送檢試樣的宏觀形貌，可見兩件失效螺栓斷裂位置基本一致，位於第4～5扣螺紋處, 斷口附近均未發現明顯塑性變形，螺紋及光杆部位亦未見明顯磕碰損傷痕跡。
圖2 所示為失效件墊圈宏觀形貌，可見墊圈與螺栓頭部支撐面配合部位存在明顯的磨損與凹陷（箭頭所示）。
圖 3 所示分別為試樣1 和試樣2 螺栓的斷面低倍形貌，可見兩個斷面形貌類似：斷面4/5面積為與螺栓軸向垂直的平斷面，斷面平整、金屬本色，未見明顯放射條紋、冶金缺陷及腐蝕特徵；斷面1/5面積為與螺栓軸向呈約 45°的斜斷面。
圖 4 所示分別為試樣 1、試樣 2 斷面裂紋源區，可見明顯的磨損痕跡。
圖5所示分別為試樣1、試樣2斷面疲勞裂紋擴展區的微觀形貌，可見明顯的疲勞條帶。
圖 6 所示分別為試樣 1、試樣 2 斷面終斷區，可見明顯的韌窩形貌。
2 金相檢測圖 7(a)所示為試樣 1 斷裂螺栓芯部金相組織，為均勻的回火索氏體組織，未發現異常；圖7(b)所示為試樣1 螺紋處的金相組織，螺紋表面未發現明顯脫碳或表面缺陷。圖8所示分別為試樣1斷裂螺栓配套墊圈的表面與芯部組織，可見芯部組織為鐵素體+少量珠光體，墊圈表面存在明顯的全脫碳層。
1.3 性能檢測
對送檢組合件進行強度和表芯硬度試驗，結果如表1 所示，完好螺栓抗拉強度值、斷裂螺栓表、芯硬度值均滿足「GB/T 3098.1—2010」中對10.9 級螺栓的要求；配套墊圈的硬度值較低。
4 摩擦因數試驗
取一件完好螺栓進行摩擦因數試驗，根據委託方提供的安裝條件，施加試驗扭矩 100 Nm。試驗結果如表2所示，可見螺紋摩擦因數較小，螺栓頭下摩擦因數較大。
圖 9 所示為試驗後墊圈形貌，可見其與螺栓頭部配合的表面已產生明顯塑性變形。
1.5 螺栓材質分析
採用直讀光譜法對失效螺栓進行化學成分分析，結果如表3所示，結果符合JIS 4053—2008關於SCM435 鋼的要求。
2 綜合分析
送檢斷裂螺栓金相組織、化學成分、表面不連續性、力學性能、表芯硬度等均符合標準要求。斷面微觀形貌顯示：斷面存在大面積疲勞條帶，呈疲勞斷裂特徵，疲勞源區位於螺紋牙底，疲勞擴展區約佔整個斷面4/5，疲勞條帶間距較窄，終斷區面積較小，可以判定螺栓的斷裂性質為典型的低應力高周疲勞斷裂，最終斷裂時所承受應力較小。墊圈的金相組織顯示材質為低碳鋼，且未進行熱處理，同時表面存在全脫碳，致使墊圈硬度尤其是表面硬度較低。
對螺栓墊圈組合件進行摩擦因數測試，結果顯示：螺栓頭部與墊圈間的摩擦因數較大，當施加試驗扭矩100 Nm 時，螺栓的軸向夾緊力僅為45.4 k N。一般來說，螺栓安裝預緊力的適宜範圍為螺栓屈服強度的70%～80%，經換算後得到規格為M12，性能等級為10.9 級的螺栓理論最佳預緊力為55.4～63.3 k N。經試驗可知：螺栓預緊力明顯小於推薦的預緊力。墊圈硬度過低，致其在預緊力作用下發生塑性變形，這是引起螺栓頭下摩擦力增大的原因。由於頭下摩擦因數大，施加的安裝扭矩大部分用於克服螺栓頭下摩擦力，因而造成實際預緊力不足。送檢的螺栓在服役過程中主要承受交變載荷，研究表明：在相同條件下，預緊力較小的緊固件更易鬆動，進而誘發疲勞破壞；同時，當墊圈剛度或強度不足時，也會導致螺栓承受的交變載荷增大或墊圈蠕變致螺栓鬆動，更易誘發螺栓疲勞斷裂。另外，根據GB/T 97.1—2002 規定，與10.9 級螺栓配套使用平墊圈推薦為300 HV級，即墊圈硬度範圍為300 HV～370 HV，而送檢的組合墊圈實際測試結果與該標準不符。
3 結論
（1） 送檢螺栓的斷裂性質是疲勞斷裂。
（2） 引起螺栓疲勞斷裂的原因是螺栓安裝預緊力不足。
（3） 墊圈硬度過低，在預緊扭矩下發生塑性變形是導致螺栓預緊力不足的原因
（4） 建議採用硬度等級300 HV級的平墊圈，即墊圈硬度範圍為300 HV～370 HV。
本文來源於智能緊固件。
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