SCM435鋼是一種典型的中碳低合金冷鐓鋼,其碳、鉻、鉬元素的含量較高,淬透性良好,該鋼經過調質后可以獲得較高的抗疲勞強度、抗沖擊性能和低溫韌性,綜合性能優良,主要用于生產10.9,12.9級的高強度緊固件,廣泛應用于汽車制造、軌道交通、工程機械和風力發電等領域[1-3]。搖臂螺栓是發動機的重要零部件之一,工作時需要承受較大的拉力、扭力和交變應力[4-5]。某公司采購了一批SCM435鋼六角法蘭螺栓,用于固定汽車發動機搖臂,當運行約11.3萬km時,發動機出現嚴重異響,經過排查,發現搖臂螺栓斷裂導致運行過程中發動機氣閥室罩蓋損壞。該搖臂螺栓的具體加工過程為：直徑為12 mm的母材→兩球兩拉至直徑9.7 mm→冷鐓→機械加工→搓絲→熱處理→發黑等。 

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡（SEM）分析等方法對螺栓斷裂原因進行分析,以防止該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂搖臂螺栓和斷口宏觀形貌如圖1所示。將螺栓線切割后,在斷口處縱剖并冷鑲嵌。由圖1可知：螺栓螺桿處斷裂為兩段,斷裂處位于第5螺紋牙和第6螺紋牙之間。 

圖  1  斷裂搖臂螺栓和斷口宏觀形貌

采用超聲波乙醇溶液清洗試樣后,在體視顯微鏡下觀察,結果如圖2所示。由圖2可知：斷口呈彎曲疲勞斷裂特征,疲勞源位于螺紋牙根部,斷口呈銀亮色[見圖2a)]；法蘭支撐面存在環形分布的小臺階,約占整個圓周的3/5,小臺階處呈銀亮色[見圖2b)]。 

圖  2  斷裂螺栓斷口和法蘭宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在螺栓上截取試樣,根據GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼　多元素含量的測定　火花放電原子發射光譜法(常規法)》對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合產品要求。 

1.3   金相檢驗

將斷裂螺栓分為兩半,分別標記為1,2號螺栓,在1號斷裂螺栓上截取并制備金相試樣,將試樣磨制、拋光后,用體積分數為4%的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣,再將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：腐蝕前,斷口處未發現氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷,腐蝕后,疲勞源處的螺紋牙無脫碳現象,斷口處、螺紋牙處和基體的組織均為回火索氏體。 

圖  3  1號螺栓不同區域的微觀形貌

將垂直于斷口將另一半斷裂螺栓（2號螺栓）制備成金相試樣,將試樣進行冷鑲嵌、磨制、拋光后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：斷口處未發現氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷[見圖4a)]；疲勞源處的螺紋牙無脫碳現象[見圖4b)]；整個試樣組織正常,均為回火索氏體。 

圖  4  2號螺栓不同區域的微觀形貌

在斷裂螺栓法蘭上沿虛線縱向截取試樣（見圖5）,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6a)~6b)所示。法蘭支撐面一側存在約高度為0.02 mm的臺階,另一側平整無臺階。用體積分數為4%的硝酸溶液腐蝕試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6c)~6e)所示。法蘭支撐面臺階處存在明顯的磨損變質層,平整處組織正常,螺栓平整處和法蘭處組織均為回火索氏體。 

圖  5  斷裂螺栓法蘭取樣位置示意

圖  6  法蘭不同區域的微觀形貌

1.4   硬度測試

用維氏硬度計對試樣進行硬度測試,載荷為4.9 N,保持時間為15 s,分別在斷口斷裂源處、斷裂源螺紋牙處、遠離斷裂源螺紋牙處和心部進行硬度測試,每處測量3個點,測試結果如表2所示。由表2可知：材料硬度滿足用戶使用要求(380~420 HV)。 

1.5   掃描電鏡分析

用超聲波溶液清洗試樣斷口,干燥后將試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖7所示。由圖7可知：疲勞源區呈條狀疲勞紋形貌特征,擴展區及瞬斷區斷口呈韌窩形貌,為微孔聚集型斷裂機制[6-8]。 

圖  7  斷裂螺栓斷口處的整體和不同區域SEM形貌

2.   綜合分析

斷裂螺栓的化學成分和不同位置的硬度均符合產品要求,斷口處未發現氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷。疲勞源處的螺紋牙無脫碳現象,整個試樣組織正常,為回火索氏體,說明母材質量和熱處理工藝都不存在問題,但是法蘭支撐面一側存在約高度為0.02 mm的臺階,且臺階處存在和其他位置明顯不同的磨損變質層[9],同時試樣斷口經超聲波溶液清洗后呈銀亮色,疲勞源區呈條狀疲勞紋形貌,擴展區及瞬斷區呈韌窩形貌特征,這表明螺栓在使用過程中極有可能存在偏載現象,進而導致螺栓疲勞斷裂。 

正常情況下,螺栓應承受拉伸應力或剪切應力,但是若螺栓在使用過程中出現偏載現象,就會承受異常的彎曲應力,當螺栓所承受的彎曲應力超過螺紋牙根部材料的彎曲疲勞強度時,就會產生疲勞裂紋,疲勞裂紋進一步擴展導致螺栓斷裂。因此,應根據螺栓的實際裝配情況、使用工況及相關零件狀況確定異常彎曲應力的來源。綜合考慮,該螺栓斷裂的原因是螺栓在使用過程中出現偏載現象,導致螺栓承受了超出其疲勞強度的異常彎曲應力。 

3.   結論及建議

（1）螺栓的化學成分和硬度等均滿足產品要求,顯微組織無異常,材料品質合格。 

（2）在螺栓使用過程中,由偏載產生的異常彎曲應力超出螺栓疲勞強度是導致螺栓斷裂的根本原因。 

（3）建議采用提高裝配精度、零件質量和表面潔凈度等方法來防止螺栓偏載。 

文章來源——材料與測試網