作者： 祁彦生， 胡晓峰， 王静， 穆松 （陕西重汽股份有限公司， 习 710200）.
高强度螺栓连接是铆接焊接后发展起来的一种钢结构连接形式，具有结构简单、可拆卸、承重大、耐疲劳、安全等优点。因此，高强度螺栓连接接头已经发行
重型车辆推力杆螺栓断裂在装配过程中发生故障，螺栓材料为42CrMo合金结构钢，装配扭矩要求为（535±50）Nm，加工工艺为热墩成型→磨削滚花直径→滚花→热处理→酸洗→磨棒→滚丝→探伤→镀锌→包装[2]。为了找出高强螺栓断裂失效的原因，笔者采用断裂宏观和微观分析、金相检验，通过化学成分分析、力学性能试验等方法对断裂失效螺栓进行检查分析，避免类似断裂失效的再次发生
1、理化检验
1.1 骨折的宏观观察
断裂螺栓的整体形貌如图1所示，断裂的宏观形貌如图2所示，螺母的宏观形貌如图3所示。可以看出，断裂发生在螺栓头杆的接头处，螺栓其余部分没有磕碰或弯曲。断裂不均匀，断面上无提前断裂，无宏观塑性变形;螺栓的头部垫圈部分不均匀地粘附在黑色污垢上，这应该是推力杆在装配时通过挤压和摩擦粘附在推力杆上的表面漆膜
1.2 化学成分分析
为确定高强螺栓的化学成分是否合格，从断裂的高强螺栓和同批次的新零件中取样，用三面地板磨床抛光，用ARL3460型金属分析仪分析试样的化学成分，结果如表1所示
1.3 硬度测试
对断裂螺栓的六角面和同批6个完整高强螺栓的六角面进行了六角面硬度测试，6个完整高强螺栓采用的材料和热处理工艺与断裂螺栓一致，但长度不一致。根据螺栓长度的不一致，命名为长1、长2、中1、中2、短1、短2.用不同粒径的三面地板研磨机和砂纸研磨后钢结构用高强度大六角头螺栓，采用TH320洛氏硬度计进行硬度测试，结果如表2所示
1.4 金相检测
图4为断裂高强螺栓的基体微观结构形貌，图5为同批次新螺栓的基体微观结构形貌。可以看出，所有螺栓的基体显微组织均为中等厚度，均匀回火的sostenite和块状铁素体
1.5 最小拉伸载荷试验
采用CMT5305型微机控制的电子万能试验机分别对长1、长2、短1和短2螺栓进行最小拉伸载荷试验和紧固件保证应力试验，结果如下
（1）长1螺栓：加载至最小拉载荷33.2kN并保持15s，继续加载至最大拉载荷36.6kN，螺纹段拧下部分断裂;
（2）长2螺栓：加载至最小拉载荷33.2kN并保持15s，继续加载至最大拉载荷36.5kN时，在螺纹段的拧下部分断裂;
（3）短1螺栓：加载至最小拉载荷33.2kN并保持15s，继续加载至最大拉载荷35.5kN，在螺纹段的拧下部分断裂;
（4）短2螺栓：加载至最小拉载荷33.2kN并保持15s，螺纹段未拧紧时继续加载至最大拉载荷36.3kN
以上试验结果符合GB/T3098.1-2010《紧固件机械性能用螺栓、螺钉和螺柱》中的相关技术要求
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1.6 冲击试验
随机抽取同批未使用的两根高强度螺栓，分别命名为1号螺栓和2号螺栓，加工成标准拉伸试样杆，采用ZBCG2302G2式摆式冲击试验机进行冲击试验，结果如表3所示
1.7 裂缝的显微形貌分析
用超声波清洗断裂的高强度螺栓断裂处，置于SEM6610扫描电子显微镜下观察，断裂的微观形貌如图6所示。可以看出，开口断裂部位存在较多的泪脊，以解理形态为主，沿晶界断裂特征和凹坑形态也存在，未发现氢脆断裂的典型特征形态[2]。
1.8 装配扭矩试验
在装配现场，采用通过测量校准的扭矩扳手随机检测已安装的7个螺栓的拧紧扭矩，拧紧扭矩的工艺要求为（535±50）Nm，具体测试结果如图8所示。可以看出，拧紧扭矩波动范围较大钢结构用高强度大六角头螺栓，4个螺栓的拧紧扭矩不符合工艺要求，存在拧紧过紧现象，会增加螺栓一次性断裂的风险
1.9 螺栓圆角半径R值检测
从同一批断螺栓的未使用螺栓中随机抽取6个新螺栓，编号为1~6号。用R规测量头杆接头的R值，试验结果见表 4.It 可以看出，螺栓的六角头与杆的接头的R值波动范围较大，有些螺栓的R值不能满足GB/T3098.1-2010的要求， 这增加了螺栓一次性断裂的风险
1.10 高强度螺栓生产现场检验
为了进一步找出高强螺栓断裂的原因，对高强螺栓的生产现场进行了调查，发现高强螺栓热墩模具的工作面在螺栓生产过程中存在R角成形表面磨损、热疲劳裂纹等缺陷， 且模具支撑面磨损严重腐蚀，采用胶带调整现象，如图9、图10所示，生产现场螺栓头杆接头R值未受控。这些缺陷使模具无法保证螺栓的同轴度、垂直度等尺寸稳定性，从而影响产品质量，增加螺栓断裂的风险
二、分析与讨论
通过以上理化试验结果可以看出，螺栓的化学成分、显微组织、力学性能和硬度均符合GB/T3098.1-2010的技术要求，但硬度较高，接近上限。对断裂的宏观和微观分析结果表明，断裂由应力集中度高的螺纹槽弧形倒角引发，断裂部位存在较多的撕裂脊，以解理形态为主，具有沿晶界断裂的特征， 螺栓在受力作用下沿晶粒断裂。对裂缝的宏观和微观分析结果还表明，当裂缝从裂纹源开始时，裂纹以快速且不稳定的方式扩展直至裂缝。材料内部有粗颗粒和颗粒边界
材料的实际容许应力减小，这也是裂纹快速失稳和扩展的前提条件。微裂纹的形成与冶炼过程中脱气不完全和造渣有关[3]。理化试验结果还表明，螺栓装配扭矩波动范围较大，存在过紧现象。螺栓头杆接头处圆角半径R值波动较大，有的不符合标准要求，在螺栓生产过程中存在尺寸精度无法有效控制的问题。上述所有因素最终导致螺栓断裂 [4G6]。
3. 结论和建议
螺栓基体硬度高，头杆接头处螺栓倒角处圆角半径小，在装配大扭矩下，扭转和弯曲的综合应力使螺栓从螺纹槽的弧形倒角裂纹应力集中度较高， 然后裂缝以快速、不稳定的方式扩大，直到螺栓最终断裂
建议将螺栓基体的硬度控制在接近技术规范要求的下限范围内，以便在保证强度的同时提高螺栓的韧性。在不影响装配的条件下，应适当增大圆角半径的R值，并要求螺栓厂家严格按照相关技术要求加工R角，以保证尺寸的符合性和稳定性;螺栓装配时，严格按照工艺文件的要求进行操作，防止发生装配扭矩过大的发生
引用：
[1] 江爱华， 陈亮， 石红旗， 等. 热加工技术，2013,42（2）：222G223
[2] 胡春燕， 刘新凌， 陈星.金属热处理，2012,37（9）：125G127
[3] 韩克佳， 赵晓辉， 李宏伟.35CrMo钢高强螺栓断裂失效分析[J].理化检测（物理部），2017,53（6）：434G
[4]关文秀， 江涛.失效分析与预防，2013,8（5）：282G286
[5] 俞兆新， 江培华， 姚志江， 等.42CrMo钢螺栓断裂分析[J].金属热处理，2012,37（4）：128G130
[6] 王维勋， 关桂芬.理化检验（物理），2016,52（1）：71G73
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