Automobile Technology & Material
汽车螺纹紧固件几种失效案例分析
裕莉莉 李海东 郭学敏 王吉洋 井琦 张薇130011） （中国第一汽车集团有限公司研发总院，长春1
摘要：高强度紧固件在连接结构中的失效经常出现，失效的模式和原因各种各样，有设计、材料、制造、热处理、装配等多方面原因，本文针对几种汽车用螺纹紧固件的失效案例，从头部R角、材料选用、延迟断裂、疲劳断裂等方面分析了失效的模式和原因，提出了改进的建议和方案，对紧固件的制造和装配有一定的指导意义。关键词：螺纹紧固件 疲劳 延迟断裂 松动TH131.3 B Doi：10.19710/j.cnki.1003-8817.20180142中图分类号： 文献标识码：
1987—），作者简介：裕莉莉（ 女，工程师，硕士研究生，研究方向为连接技术与金属材料研究检验。
1 前言
高强度紧固件在连接中失效经常会遇到，失效的模式和原因各种各样，有设计、材料、制造、热处理、装配等多方面原因，多种问题可以归结为三大类：即设计、制造、使用。目前，高强度紧固件企业在材料选择、加工制造、热处理方面等几个方面技术日臻完善，这类问题出现的概率大幅地减少。一般整机行业对紧固件方面不重视，对安装扭矩、摩擦系数、扭矩系数及其分配比例知之甚少；这样，往往会在高强度紧固件安装使用中出现一些问题。
现主要针对几种典型的螺纹紧固件失效案例进行分析。
2 失效案例分析 2.1 头部R角失效
某型车扭杆弹簧调整支架与车架连接螺栓断
R裂，螺栓的断裂位置均发生在头部 角处，如图所示。
图1 失效螺栓形貌
对失效螺栓的断口进行分析可知，螺栓均为2疲劳断裂，如图 所示。
图2 断口形貌
M14，10.9该螺栓规格 级，硬度检验结果为34- 36）HRC， GB/T 3098.1- 2010 （ 符合 中的技术要R R求。该螺栓可能是螺栓头部角处制造问题，（角过小导致应力集中），产生的局部应力集中造成
疲劳断裂。GB/T 3098.1-2010对于螺纹紧固件，在 中明确规定，在拉伸试验时，螺栓的断裂位置，不应断裂在R头部或头部与杆部交接处。为保证头部 角处的ISO 885 R强度，在 中规定了螺栓头下 角的规格[1]， 1如表 所示。 M14）， R ≥0.6 mm，对于该螺栓（ 头部 角的尺寸R R而实际的 角半径小于规定尺寸。 角设计不合理R R （或图纸中未规定 角值）以及 角加工缺陷（车削、R金属折叠等）均有可能导致 角处强度下降或造成R应力集中，导致螺栓头下 角处断裂失效。
2.2 延迟断裂
某越野车装车后在厂内路试时发生轮胎螺栓10断裂现象，行驶里程小于 公里，无负重，螺栓断3裂形貌见图 。 4对该断裂螺栓进行分析，如图 所示，裂纹萌R 1/2R生于螺栓的 角处，扩展至约 处时开始出现纤维状断口特征，之后裂纹发送了快速扩展。整个断口较为平整，呈典型的脆性断裂特征。对螺栓断口进行扫描电镜分析可知，该螺栓断口具有典型的沿晶断裂特征，微观形貌呈冰糖状，并且存在一些二次裂纹，应为延迟断裂（氢5脆），如图 所示。
图5 失效螺栓断口扫描电镜形貌
10.9该失效螺栓机械性能等级为 级，硬度检
39- 42）HRC GB/T验结果为（ 。硬度值高，不符合3098.1-2010
中的技术要求。材料的组织、氢和应力状态是高强度螺栓氢致延迟断裂的三个重要因素，尤其是内氢在螺栓根部应力集中处的扩散、富集，是高强度螺栓断裂的主要因素[2]。
有资料研究表明，材料的氢脆敏感性与其强度、硬度有关，材料的硬度越高，越易发生延迟断裂。应力集中程度、变形比和环境也会对延迟断裂有影响。此外，延迟断裂与使用环境（如潮湿、酸性环境）有关，腐蚀环境下易产生氢气，也会导致螺栓的延迟断裂[3]。
对于高强度螺栓，在加工过程中要控制热处理工艺，使硬度在合适的范围内，并严格控制氢气的吸入，最好不采用电镀表面处理，推荐采用环保的锌铝涂层处理，耐腐蚀性提高，且可避免氢致延迟断裂的发生。若采用电镀工艺，必须进行除氢处理，
2.3 材料选用不当
某增压型发动机排气歧管双头螺柱在试验过程中发生断裂，如图 所示。断裂双头螺栓材料为40Cr10si2mo，
属于马氏体型耐热钢。失效螺栓断口如图 所示，该螺栓为典型的疲劳断裂失效。
该双头螺栓断裂原因为材料选用不当，导致螺栓的疲劳断裂。从不同温度下材料的强度测试结果可知， 40Cr10si2mo ≥500 ℃在温度 时，强度显著下降，而SUH660 650 ℃在温度＞ 时强度才开始下降，如图8所示。 +双头螺栓的金相组织为隐针马氏体 碳化SUH660物， 材料的金相组织为奥氏体加碳化物， 9如图 所示。
图9 金相组织
对于排气歧管的位置，工作温度较高， 40Cr10si2mo无法满足排气歧管处的高温环境，建议 SUH660选用 材料，更适合高温环境下的紧固连接。
2.4 疲劳断裂
某车燃油箱后托架上侧螺栓断裂在道路试验过程中发生断裂。根据图纸技术要求，该螺栓为M14，10.9 级，无摩擦系数规定，风动扳手拧紧，拧260-280）N · m紧力矩（ 。试验后螺栓断裂，只提供了一段螺栓，断裂宏10观形貌见图 。 11螺栓断口形貌见图 。螺栓发生弯曲疲劳断裂，疲劳源位于螺纹牙底表面，因碰撞该区域已破坏。 Ⅰ对螺栓断口进一步分析可知，断口 区可观12a察到明显的疲劳海滩状弧线，见图 。从高倍放12b大形貌中可观察到较多微裂纹，如图 所示。 图12 疲劳裂纹扩展区（ Ⅰ区）形貌
Ⅱ Ⅲ Ⅰ断口的 区和 区疲劳海滩状弧线比 区的13a 14a，宽，见图 和图 说明螺栓的应力状态发生变化；高倍放大形貌中也可观察较多的微裂纹，见13b 14b图 和图 。 图13 疲劳裂纹扩展区（ Ⅱ区）形貌
图14 疲劳裂纹扩展区（ Ⅲ区）形貌
Ⅳ 15区断口的微观形貌见图 。该区为螺栓断口的瞬断区，微观形貌为细小的韧窝，说明该螺栓的韧性较好。螺栓断在螺纹处，为松动后被连接件对螺栓产生了弯矩，进而在交变载荷的作用下产生疲劳裂纹扩展，最终导致螺栓发生弯曲疲劳断裂。
在实际使用过程中，螺栓因松动导致疲劳断裂的频次最多，影响也最大。
螺栓松动是由于轴向预紧力不足，而影响轴向预紧力因素有： a.拧紧力矩不合理，如扭矩过小，导致轴向预紧力不足； b.若拧紧扭矩是合理的，拧紧工具的精度也影±响实际的装配效果，如气动工具的精度误差为50%，拧紧扭矩在下限时，可能会导致预紧力不足； c.螺栓未规定摩擦系数，产品质量的一致性没有严格控制，可能由于产品质量或摩擦系数的波动，导致拧紧至规定扭矩时轴向预紧力不足引起松动； d.实际装配过程中有异常，如螺纹或支撑面有铁屑等异物，也会导致虚假连接，扭矩达到要求，而实际的预紧力却没有达到要求，这种情况多出现在扭矩法装配时； e.多个螺栓一起使用时，应对装配次序、装配步骤有要求，如简单装配，可能会对最后装配的螺栓产生偏扭矩，诸多因素都可能导致螺栓的失效。
3 结论
螺纹紧固件的失效包括自身问题和装配问a. R b.题，自身问题有：设计错误，如 角规格；加工质量问题，如车削螺纹、热处理不规范、延迟断裂； c.材料选择错误：如耐热钢螺栓。a. b.装配问题：摩擦系数控制；装配工艺：如扭矩c.法、扭矩转角法、屈服点法；装配工具：装配分级。螺纹紧固件的失效，不仅是零件本身的损坏，还会引起更严重的连带问题。因螺纹紧固件失效