分享：某挖掘机高强螺栓断裂原因分析

摘 要:某挖掘机连接下车架与回转支承的３６支高强螺栓在使用过程中全部发生断裂.采用 宏观检验、化学成分分析、力学性能测试、金相检验等方法,结合螺栓装配、挖机工况等因素,对该批 螺栓断裂的原因进行了调查分析.结果表明:螺栓断裂的性质为疲劳断裂;断裂的原因是螺栓装配 不良,导致螺栓在使用中轻微松动,在挖掘机工作过程中的剪切力作用下,螺栓松动处产生疲劳裂 纹,最终导致螺栓断裂.

关键词:高强螺栓;断裂;疲劳;装配不良

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０３Ｇ０２０４Ｇ０４

高强螺栓是挖掘机上连接重要零部件的主要零 件,螺栓本身的制造质量和装配质量对螺栓的使用 性能有直接影响.某挖机在使用１１２８h后出现连 接下车架与回转支承的３６支紧固高强螺栓全部断 裂的故障,不仅给用户造成了停工损失,也给主机厂 造成了很大的经济损失.

该高强螺栓材料为４０Cr钢,尺寸为M２２mm× ７５mm,强度级别为１０．９级.螺栓的生产工艺流程 为:热轧盘→冷拔→球化(软化)退火→机械除锈→ 酸洗磷化→冷拔→冷镦成形→螺纹加工→热处理→ 检验.为了彻底查清该高强螺栓断裂的原因并预防 故障的再次发生,笔者对其进行了检验和分析.

１ 理化检验

１．１ 宏观检验

挖机作业现场的３６支高强螺栓全部断裂,返回 工厂进行检验和分析的螺栓共计１６支,其余螺栓未 返回.返回的１６支断裂螺栓长度基本一致,螺栓原 长７５mm,断裂后长度５０mm,断裂螺栓外观见图１.

螺栓断口宏观形貌见图２,其中方框区域为疲 劳断口的扩展区.１６支断裂螺栓中,全疲劳断口的 螺栓有６件,见图２(a);半疲劳断口的螺栓有４件, 见图２(b);小面积疲劳断口的螺栓有２件,见图２ (c);过载断口的螺栓有４件,见图２(d).小面积疲 劳断口和过载断口主要是由于过载断裂引起的,因 此下面主要对全疲劳断口和半疲劳断口进行分析. 从图２(a),(b)中的螺栓断口宏观形貌可以看 出,断裂部位没有明显的宏观塑性变形痕迹,断裂起 源于螺纹牙底位置,断口表面有明显的裂纹扩展留 下的海滩状花纹,说明断口为疲劳断口,断裂属于疲 劳断裂.裂纹源处存在较多的台阶,说明裂纹并非 起源于一点而是起源于多处.图２(a)和(b)中断口 的疲劳扩展区面积分别约占整个断口面积的９５％ 和５０％,表 明 螺 栓 在 使 用 过 程 中 承 受 的 应 力 较小[１].

１．２ 化学成分分析

对断裂螺栓取样,使用 QRＧ４D型碳硫分析仪和 JSＧ５型电脑多元素分析仪进行化学成分分析,结果 如表１所示.可见螺栓材料的化学成分符合 GB/T ３０７７－２０１５?合金结构钢?对４０Cr钢的成分要求.

１．３ 力学性能测试

由于断裂后的螺栓长度不够,因此无法进行拉 伸试验.对断裂螺栓取样进行硬度试验和冲击试 验,硬度测试的部位为螺栓的六方头,冲击试验的取 样位置接近螺纹表面,试验结果见表２,可见结果符 合 GB/T３０９８．１－２０１０?紧固件机械性能 螺栓、螺 钉和螺柱?对１０．９级螺栓的要求.

１．４ 金相检验

使用 SJPＧ６A 型 金 相 显 微 镜 对 断 裂 螺 栓 进 行 金相检验,结 果 显 示 螺 栓 的 显 微 组 织 为 细 回 火 索 氏 体,如 图 ３ 所 示,符 合 GB/T３０９８．１－２０１０ 的 要求.

１．５ 酸蚀低倍检验

对４种断口螺栓进行酸蚀低倍检验,查看螺栓 的外观是否存在缺陷.试验方法依据 GB/T２２６－ ２０１５?钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法?,用１∶１(体 积比)盐酸溶液热腐蚀螺栓１５min后,用热水清洗 干净,再用吹风机吹干. ４种断口螺栓的酸蚀低倍检验结果如图４~７ 所示,４种螺栓的外观均未发现影响螺栓强度的明 显的制造缺陷.

１．６ 小结

通过对断裂螺栓进行宏观检验、化学成分分析、 力学性能测试、金相检验、酸蚀低倍检验,可见螺栓的 各项性能参数均符合 GB/T３０９８．１－２０１０的要求,由 此判断断裂不是由螺栓本身的制造质量引起的.

２ 螺栓装配情况分析

为了查找螺栓断裂的原因,对该批３６支残留在 回转支承丝孔内的断裂螺栓进行了全面的调查分 析,如图８所示.统计发现,３６支螺栓中,全疲劳断口螺栓有１４支,半疲劳断口螺栓有１２支,小面积疲 劳断口螺栓有５支,过载断口螺栓有５支.可以看 出３６支紧固螺栓中,有３１支断口存在疲劳痕迹,只 有５支是过载受力断裂,属于典型的疲劳断裂引起 的故障,由此可排除用户使用不当的因素.

诱发螺栓产生疲劳裂纹的原因大致有两方面: ①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂纹、加工缺陷、热 处理裂纹等),在挖机工作过程中受振动使缺陷成为 疲劳源最终导致断裂;②装配过程中螺栓拧紧不良, 在使用过程中螺栓松动引起疲劳断裂[２].装配前螺 栓螺纹表面需涂抹厌氧密封胶,螺栓拧入丝孔后预 紧,最后用扭矩扳手将螺栓拧紧至规定力矩.理化 检验结果表明,螺栓的制造质量没有问题,因此排除 第一方面的因素.接着验证第二方面因素,对残留 在丝孔内的全疲劳断口螺栓和过载断口螺栓进行拆 解,来验证螺栓的装配拧紧情况.

全疲劳断口螺栓残留在丝孔内的断裂部分及丝 孔形貌如图９所示,未取出前可以见到螺纹孔口残 留有厌氧密封胶,断裂螺栓用手即可取出.取出的 断裂螺栓和螺纹孔只有最上部两扣螺纹有少量的厌 氧胶残留,下面螺纹旋合部分光滑,未发现残留有厌 氧胶,说明螺栓早已松动造成旋合部分摩擦光亮.

过载断口残留在内齿圈内的断裂部分及丝孔形 貌如图１０所示,未取出断丝前可以见到螺纹孔口有 厌氧胶残留,取出的断丝和螺纹孔内有明显的红色 厌氧胶残留,螺纹旋合部分粗糙,用榔头和凿子用力 才能将其取出.断丝螺纹部分外表面保持了螺栓装 配前的外貌,螺栓表面的镀锌层没有破坏,说明螺栓 没有松动.

通过对丝孔内断裂螺栓的观察及分析可见:全 疲劳断口的螺栓在装配时厌氧密封胶涂抹不均匀或 丝 孔内螺纹清洗不彻底,导致密封胶没有进入螺栓和丝孔螺纹的旋合部分,致使部分螺栓在使用中出 现早期松动进而产生疲劳;当发展到３１支螺栓均出现不同程度的疲劳裂纹时,挖机在工作回转时受到 反方向的作用力,而剩余的５支完好螺栓无法承受 此时的作用力,最终导致３６支螺栓瞬时全部断裂的 故障发生.

３ 结论及建议

该批螺栓的断裂性质为疲劳断裂,断裂的原因 是螺栓装配不良.厌氧密封胶涂抹不均匀、丝孔内 螺纹清洗不干净或拧紧力矩未达到图纸要求,导致 螺栓在使用中轻微松动;随着挖机在工作过程中的 左右回转,在松动螺栓的上下结合面处对螺栓产生 径向剪切作用,对螺栓造成破坏,生成疲劳源,最终 导致断裂. 挖机在使用过程中振动很大,应严格控制上下 车架等重要连接部位的螺栓装配质量,防止此类故 障的再发生.

参考文献:

[１] 刘瑞堂．机械零件的失效分析[M]．北京:机械工业出 版,１９９４．

[２] 张栋,钟培道,陶春虎,等．失效分析[M]．北京:国防工 业出版社,２００４．

<文章来源 > 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 53卷 > 3期 (pp:204-207)>

来源：国检检测