鄧建

摘 要 對斷裂螺栓進行宏觀和微觀檢驗及化學成份分析，結果表明：螺栓的所有機械性能均符合國家標準要求。螺栓斷裂的主要原因是由于設計方，所設計的摩擦系數(shù)與實際裝配扭矩不匹配，造成螺栓在實際裝配過程中緊固系統(tǒng)出現(xiàn)過擰，從而導致螺栓斷裂。

關鍵詞 六角法蘭螺栓;斷裂;摩擦系數(shù);裝配扭矩;失效分析

概述

收到零件號為G01-07007 規(guī)格為M16×2.0×40的10.9級六角法蘭螺栓斷件2件，螺栓表面油磷化，樣件如下圖，螺栓材質為40Cr。經委托方描述，螺栓在實際安裝過程中斷裂， 現(xiàn)場實際裝配扭矩為390～4300Nm，委托方要求分析螺栓實際斷裂原因。

2 宏觀分析

圖1所示為樣品宏觀形貌，從宏觀形貌可見，螺栓在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性變形，整個斷口宏觀上可以分為3個區(qū)：斷裂源、放射區(qū)和終斷區(qū)。斷裂源區(qū)位于螺栓邊緣，如上圖1-2A區(qū)所示，該區(qū)域面積較小;放射區(qū)為快速斷裂的脆性斷裂區(qū)，呈現(xiàn)明顯的放射狀條紋特征，放射狀條紋沿螺栓擰緊方向呈旋轉狀，并收斂與A區(qū)，即A點為斷裂源，放射區(qū)面積較大，約占有整個端口面積的70%～80%;并在螺栓斷口四周形成了剪切唇，剪切唇表面光滑，與拉應力成45°角。這些特征表明，該螺栓斷口是在扭轉載荷作用下發(fā)生的混合型斷裂。

3 化學成分分析

采用直讀光譜法對螺栓進行化學成分分析，結果如下表所示，其化學成分符合40Cr鋼的要求。

4 硬度測試

對該產品進行洛氏硬度測試，硬度均值為36.7HRC，均符合標準GB/T 3098.1-2010的要求（32～39HRC）。

5 摩擦系數(shù)分析

根據委托方提供，該款零件的實際摩擦系數(shù)在0.08～0.10之間，且實際裝配扭矩為390～430Nm，根據標準GB/T16823.3-2010對裝配扭矩及摩擦系數(shù)進行計算：

6 綜合分析

從上述分析結果可知，螺栓所有機械性能均符合標準要求。根據宏觀分析結果可知，螺栓在斷裂前發(fā)生了明顯的塑性形變，說明螺栓在斷裂前承受了較大的軸向拉伸力。

通過送樣人反饋的摩擦系數(shù)及客戶實際裝配扭矩計算可知，螺栓所產生的最大軸向力為197.5kN，約占保證載荷的151.9%，而螺栓所產生的最小軸向力為147.6kN，約占保證載荷的113.5%，故螺栓在實際裝配中，所產生的軸向拉伸力已遠遠超過了螺栓的保證載荷。

根據國標GBT3098.13第4條計算M16×2.0最小破壞扭矩為376.59kN，螺栓在塑性變形后的最小破壞扭矩約為252.95Nm。而實際裝配扭矩為390～430Nm，已遠遠超過了螺栓的保證最小破壞扭矩，在塑性形變后螺栓不能繼續(xù)承受該裝配扭矩而發(fā)生扭轉斷裂。

綜上所述，螺栓在裝配過程中承受較大的裝配力矩，導致螺栓拉長變形，變形后螺栓無法繼續(xù)承受該裝配扭矩，導致旋轉力大于螺栓變形后的實際破壞扭矩，促使螺栓在擰緊過程中發(fā)生斷裂。

7 結論

產品在實際設計中，未考慮到螺栓的破壞扭矩，及螺栓的綜合受力性能，導致在實際裝配中所產生的軸向拉伸力及破壞扭矩，超過了螺栓的安全承載性能，最終導致螺栓斷裂。

在設計中，應綜合考慮螺栓的摩擦系數(shù)、實際裝配扭矩和螺栓的受力情況，不能一味的認為軸向拉伸力越大其鎖緊效果就越好。充分的利用螺栓的性能，才能達到更好的鎖緊效果。