摘要:某汽车发动机凸轮轴正时带轮紧固螺栓在台架耐久试验中发生断裂.通过宏观检验、化学成分分析、硬度测试、金相检验以及断口分析等方法对螺栓的断裂原因进行了分析.结果表明:该紧固螺栓的断裂模式为疲劳断裂;螺栓未紧固到设计要求的预紧力,导致其在使用过程中发生松动,在交变应力作用下螺栓螺纹旋合部位萌生裂纹,最终导致螺栓发生疲劳断裂.关键词:凸轮轴正时带轮;螺栓;疲劳断裂;预紧力中图分类号:TG１１５文献标志码:B文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０１９)１２Ｇ００４１Ｇ０３汽车发动机是由众多零部件通过焊接、铆接、粘接或螺纹连接等方式装配而成的机器,其中螺纹连接所占比例最大.一台发动机含有３００~５００个螺栓(钉),３０％的螺栓位于发动机的重要位置,因此螺栓本身的制造质量和装配质量直接影响发动机的使用性能.某发动机台架耐久试验(８００h动态台架耐久试验)进行至５４５h时,凸轮轴正时带轮紧固螺栓发生断裂.该螺栓材料为２８B２钢,生产工艺为调质处理后螺纹成型,性能等级为１０．９级,规格为M１２mm×１．２５mm×８０mm,夹紧长度为６４mm.为了查明该螺栓的断裂原因,避免类似失效的再次发生,笔者对其进行了检验和分析.１理化检验１．１宏观检验断裂螺栓宏观形貌如图１所示,可见其无明显塑性变形,断口位于距法兰面第４９~５０节螺纹间,部分螺纹磨损严重.实际测得断口至螺栓法兰面的距离为６４mm,说明断裂位置在螺栓夹紧处的螺纹旋合部位.１．２化学成分分析对螺栓取样,使用SPECTROMAXx０６型直读光谱仪进行化学成分分析,结果如表１所示.可见螺栓的各元素含量均符合厂家内部标准对２８B２钢的成分要求.１．３硬度测试使用WilsonR５７４型洛氏硬度计对螺栓的螺纹端心部位置进行硬度测试,测试结果为３８．１,３８．３,３８．３HRC,可见螺栓的硬度符合GB/T３０９８．１－２０１０?紧固件机械性能螺栓、螺钉和螺柱?中１０．９级螺栓洛氏硬度为３２~３９HRC的要求.１．４金相检验对断裂螺栓取样,使用ZeissAxioImagerM２m型光学显微镜进行金相检验,结果如图２所示.可见螺栓的心部组织正常,为回火索氏体[１Ｇ２],螺纹表面无脱碳现象,螺纹牙底光滑,无尖角、缺口和裂纹等.１．５断口分析将螺栓断口清洗干净后,使用ZeissEVO１８型扫描电子显微镜进行微观形貌观察,断口整体形貌如图３所示,将断口标记为A~F共６个区域.裂纹源位于螺纹牙底A区域处,有若干起源点,如图４a)所示;B,C,D区域可见疲劳辉纹和大致平行的二次裂纹,具有疲劳断裂特征[３Ｇ５],如图４b)~d)所示;E和F区域可见韧窝形貌,如图４e)和图４f)所示.２分析与讨论螺栓发生疲劳的原因一般有两个方面:①螺栓本身存在制造缺陷(材料裂纹、热处理裂纹、加工缺陷等),在使用过程中螺栓受到振动作用,该缺陷成为疲劳源,最终导致断裂;②装配过程中螺栓未拧紧或螺栓未达到设计要求的预紧力,在使用过程中螺栓松动引起疲劳断裂[６].上述理化检验结果表明,该螺栓的制造质量没有问题,因此排除第一方面的因素.该凸轮轴正时带轮紧固螺栓设计要求的预紧力应不小于６５kN,装配工艺采用扭矩法(１１０Nm).由于扭矩装配方法中摩擦因数对螺栓预紧力的影响很大,取３根同批次螺栓进行摩擦因数试验,结果分别为０．１２,０．１１,０．１１,均在企业内控要求(０．０８~０．１４)内,因此排除摩擦因数不稳定导致螺栓预紧力偏差大的情况.通过超声波技术进一步验证１１０Nm扭矩的装配工艺能否达到螺栓预紧力要求.超声波测试螺栓轴力是一种间接测试方法,其基本原理为声弹性理论.螺栓在拧紧过程中自身会伸长,同时产生轴向力,超声波从螺栓一端传向另一端再反射回来会形成时间差,该时间差恰好与伸长量成正比,在弹性范围内根据胡克定律就可以得出螺栓轴力与超声波时间差的正比关系[７].取若干同批次螺栓,使用MC９５０数采仪和摩擦因数试验台获得螺栓轴力与超声波时间差的关系曲线,结果如图５所示.随机抽取一台组装中的发动机,对１１０Nm扭矩装配工艺拧紧后的凸轮轴正时带轮紧固螺栓进行轴力测试,测试结果仅为５０kN.因此该螺栓的断裂原因为未紧固到设计要求的预紧力,这导致其在使用过程中出现松动,最终造成疲劳断裂.３结论及建议该凸轮轴正时带轮紧固螺栓的断裂模式为疲劳断裂.螺栓未紧固到设计要求的预紧力,导致螺栓在使用过程中出现松动,松动的螺栓受到交变应力的作用在凸轮轴内部不断振动,于螺栓夹紧处的螺纹旋合部位萌生裂纹,最终发生疲劳断裂.建议重新制定凸轮轴正时带轮紧固螺栓的装配工艺,必要时可采用扭矩转角法,以确保螺栓被紧固到设计要求的预紧力.参考文献:[１]李炯辉．金属材料金相图谱(上下册)[M]．北京:机械工业出版社,２０１６．[２]任颂赞,叶俭,陈德华．金相分析原理及技术[M]．上海:上海科学技术文献出版社,２０１３．[３]张栋,钟培道．失效分析[M]．北京:国防工业出版社,２００４．[４]袁峰,靳宝宏,门菲．发动机连杆螺栓断裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６．[５]付洋洋．高铁道岔夹杆螺栓断裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１８,５４(１):７４Ｇ７７．[６]包锡桂．某挖掘机高强螺栓断裂原因分析[J]．理化检验(物理分册),２０１７,５３(３):２０４Ｇ２０７．[７]贾金龙,王彩梅,李太为,等．安装至屈服螺栓残余轴力超声波测试方法研究[J]．机械工程与技术,２０１８,７(４):２４５Ｇ２５１．文章来源材料与测试网期刊论文理化检验－物理分册56卷1期(pp:41-43)
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