减速机盖连接螺栓断裂失效分析

罗阳

（陕西法士特汽车传动集团有限公司,宝鸡722409）



减速机盖连接螺栓断裂失效分析

罗阳

（陕西法士特汽车传动集团有限公司,宝鸡722409）

摘要：为确定某减速机上使用的Q150B1050TF3螺栓的断裂原因，对该螺栓进行了断口分析、显微组织分析、硬度检测、化学成分分析、金相组织检查、力学性能测试、氢含量检测和摩擦系数试验，并通过装配现场对比试验，分析螺栓断裂的主要原因是垫圈选配不当导致断裂，最后针对该螺栓断裂原因提出了相应改进措施。

关键词：减速机螺栓断裂失效分析对比试验

1 问题的提出

某型号减速机在装配过程中多次出现减速机盖连接螺栓Q150B1050TF3与Q40310垫圈配合使用时杆径断裂现象。该断裂螺栓的设计材料为ML40Cr，螺栓规格为M10×1.25×50，表面经过镀锌处理，强度等级为10.9级；该螺栓的要求安装扭矩为（80±10）N.m，现场设定力矩90 N.m。本文对减速机盖连接螺栓Q150B1050TF3与Q1421050螺栓组合件进行对比分析，确定螺栓断裂原因并提出改进措施。

2 试验分析

（1）断口分析。螺栓断裂试样如图1所示。从图l可见螺栓断面与轴向垂直，断口附近无明显宏观夹杂物，起裂处位于螺纹上中部，呈韧窝状，有明显拉长塑性变形，开裂源处未发现有明显的宏观映陷存在。

图1 断裂螺栓宏观形貌

（2）显微组织分析。分别对减速机盖连接螺栓Q150B1050TF3与Q1421050螺栓组合件进行显微组织分析，图2、图3分别为断裂螺栓与Q1421050的显微组织，均为回火索氏体。

图2 断裂螺栓金相组织

图3 Q1421050金相组织

（3）硬度检测。分别取两件断裂螺栓及Q1421050螺栓组合件，对其进行硬度检测，结果见表1。从表1看出断裂螺栓的表面硬度略低于完好螺栓，但无明显差异，均在GB/T 3098.1-2010规定的范围内。

表1 螺栓硬度检测结果

（4）成分分析。采用直读光谱法对断裂件和Q1421050螺栓进行化学成分分析，结果见表2，其化学成分均符合GB/T4336-2002标准中对ML40Cr的要求。

表2 螺栓化学成分

（5）室温力学性能。取同批次完好未经使用的螺栓样件和Q1421050样件，分别进行室温极限拉力载荷和抗拉强度试验。环境条件19.6℃，其力学性能结果见表3、表4，结果符合GB/T 3098.1-2010要求。

表3 螺栓力学性能

（6）氢含量检测。利用ONH836氧氮氢分析仪对螺栓断口附近取样进行氢含量检测，测试结果见表4。由测试结果表明，虽然断裂螺栓的氢质量分数在5×10-6以下，但螺栓内部均含有一定量的氢，加之该螺栓预紧力过大，易产生应力集中区，氢原子便持续向裂纹尖端扩散聚集［1］，当裂纹扩展到一定程度后，螺栓由于承力面积减小而最终断裂。

（7）摩擦系数试验。分别对同批次完好螺栓Q150B1050TF3与Q1421050螺栓组合件进行摩擦因数分析。结果如表5所示，其中，T为总扭矩，F为轴力，μtot为总摩擦系数，μth为螺纹摩擦系数，μb为支承面摩擦系数，Tth为螺纹扭矩，Tb为支承面扭矩，K为扭矩系数，θ为转角；由表可见同规格的螺栓，同样的材质及表面处理方式，其摩擦因数未见明显差异，但要注意螺栓在长期保存或装配使用过程中受到污染而影响摩擦系数。

表4 螺栓氢含量检测

表5 螺栓摩擦因数测试结果

（8）装配现场试验。通过上述项目检测，螺栓各项参数在合格范围内，对比试验也无明显差异，对此我们在装配过程进行以下对比试验：

试验一：取Q150B1050TF3螺栓单独使用不加垫片，在装配力矩在90N.m时，螺栓未出现断裂；试验二：取Q150B1050TF3螺栓与Q40310垫圈配合使用，在装配力矩在80N.m时，螺栓出现断裂；试验三：取Q1421050螺栓组合件进行装配，装配力矩在90N.m，螺栓未出现断裂。

3 综合分析

Q1421050是Q150B1050TF3与Q40610垫圈组合件，其生产工艺为螺栓未滚丝前穿入Q40610垫圈，滚丝完成后螺纹外径大于Q40610垫圈内径，保证垫圈不能掉落［2］，所以装配现场在使用Q150B1050TF3螺栓Q40610与配合装配时，由于Q40610孔径较小无法穿入螺栓而使用了孔径较大的Q40310垫圈；由于Q40310内径较大与Q150B1050TF3螺栓支承面接触面积小，从而支承面摩擦力变小，在装配过程中螺栓接受纵向装配力矩过大，导致螺栓断裂。同时装配现场定扭扳手设置值为上线，未留足够安全预度存在超差风险，影响螺栓预紧效果。氢元素可导致金属韧性降低，该螺栓电镀后虽然经过驱氢处理，但不能完全排除氢残留风险［3］。

4 结论和措施

（1）装配过程中使用Q150B1050TF3与Q40610的组合件Q1421050，能有效避免螺栓断裂；螺栓Q150B1050TF3与垫圈配合使用不当且安装预紧力过大是导致螺栓断裂的主要原因，在采购环节或装配环节使用时要采购或使用组合件，尽量不要现场组合使用，如必须现场组合，必须要展开有效评估方可使用。

（2）尽量下调螺栓预紧力，在保证设计要求预紧力的情况下，将定扭扳手力矩调至80N.m，这对保证螺栓的安全服役有重要意义，同时严格按照工艺装配顺序拧紧。

（3）建议10.9级的螺栓采用达克罗、粉末渗锌表面处理方式，降低氢脆风险。

（4）应保持螺栓的存放及装配现场清洁，防止螺栓受污染而影响螺栓的摩擦系数。

采取以上措施后，通过现场批量验证，未发现过螺栓断裂现象，该螺栓断裂问题得到解决；同时上述分析过程能对其他类似问题有参考借鉴作用。随着对螺栓断裂原因研究的深入和检测数据的积累，对螺栓断裂的特点、机理及断裂因素有了更清楚地认识，可采取有针对性地预防措施，防止螺栓断裂。

参考文献

［1］商红武，安茂忠，杨培霞.电镀过程中氢脆的产生及其抑制措施［J］.电镀与涂饰，2008，27（12）：4-7.

［2］维荣.常用紧固件产品手册.北京：中国标准出版社，2002．

［3］孙小炎.螺栓氢脆问题研究［J］.航空标准化，2007，（2）：6-9．

Reducer Cover Connecting Bolt Fracture Failure Analysis

LUO Yang
（Shaanxi Fast Automotive Transmission Group Co., Ltd.,Baoji 722409）

Abstract:In order to determine the failure reason of Q150B1050TF3 bolt on the use of a reducer ,The bolt fracture morphology、microstructure、hardness、chemical、metallographic examination、mechanical properties test、hydrogen content detection and friction coefficient were tested and analyzed.And through the contrast test assembly,the main reason analysis of bolt fracture is due to improper selection of fracture washers. Finally put forward the corresponding improvement measures for the cause of the bolt fracture.

Key words:reducer, bolt fracture, failure analysis, contrast test