履带用高强度螺栓失效分析

张鲁，陈丹，刘美娜，刘启刚

山推工程机械股份有限公司履带底盘分公司 山东济宁 272073

1 序言

在履带式工程车辆中，履带通过高强度螺栓联接履带板及链轨总成，由左右驱动轮实施驱动[1，2]。某型号挖掘机履带在成品入库时发现装配的螺栓有掉头现象，其中1条履带发现5个断裂螺栓，断裂位置均发生在螺栓头和杆交界处，宏观形貌如图1所示。螺栓强度级别为12.9级。

图1 断裂螺栓宏观形貌

2 产品基本信息

1）螺栓材质为SCr420B，规格为M20×1.5。

2）螺栓的生产工艺流程：原材料→球化退火→除锈磷化→拔条→冷镦→滚丝→热处理→发蓝。

3 失效件分析

3.1 断口分析

（1）宏观形貌 断裂出现在头部和杆部交界处，断面颜色一致呈金属银灰色，断面粗糙不平，有明显放射状条纹，如图2所示。收敛处指向断裂源，断裂源为螺栓头部和杆部交界处。

图2 螺栓断口宏观形貌（箭头指向断裂源处）

图3 断面形貌（箭头指向断裂源处）

图4 断面形貌

（2）扫描电镜分析 断面表面SEM形貌如图3～图8所示。裂纹源处断面形貌主要为沿晶断裂形貌及解理形貌，断面中部主要为河流状解理形貌，剪切唇为韧窝形貌。判定此螺栓断裂模式主要为延迟断裂，裂纹源为头部和杆部交界处。

图5 断裂源区断面形貌

图6 中部断面形貌

图7 剪切唇断面形貌

图8 剪切唇断面放大形貌

3.2 化学成分分析

对失效螺栓进行化学成分分析，结果见表1。由表1可看出，螺栓化学成分符合SCr420B钢的技术要求。

表1 SCr420B钢化学成分（质量分数） （%）

3.3 硬度检查

截取失效螺栓横截面试样进行洛氏硬度检测，结果见表2。从表2可看出，失效件螺栓截面硬度偏高，不符合技术要求。

表2 截面硬度检测结果 （HRC）

3.4 金相组织

对失效螺栓分别取样观察头部和杆部交界处进行金相分析。失效件断面组织如图9～图14所示。腐蚀后头部和杆部交界处表面金相组织（见图9）为回火索氏体和白色铁素体；头部和杆部交界处心部金相组织（见图10）为回火索氏体及少量铁素体和上贝氏体；失效件断裂源处金相组织（见图13）为回火索氏体和少量铁素体；断裂源附近处发现有沿晶小裂纹（见图14）；断裂区域晶粒度为8.5级。

图9 头部和杆部交界处表面组织（500×）

图10 头部和杆部交界处心部组织（500×）

图11 失效件断裂源处形貌（未腐蚀，50×）

图12 失效件断裂源处形貌（未腐蚀，500×）

图13 失效件断裂源处组织（500×）

图14 失效件断裂源附近组织（500×）

3.5 增碳与脱碳层测试

对失效件进行增碳与脱碳情况进行检测，检测位置如图15所示，结果见表3。经确认符合要求。

3.6 非金属夹杂物分析

对失效螺栓进行非金属夹杂物分析，检测结果见表4，符合技术要求。

图15 测试位置示意

表3 失效件增碳与脱碳检查结果

表4 失效件金属夹杂物评级结果

3.7 锻造流线检查

对试样进行锻造流线检查，正常件可见明显正常流线，失效件可见明显连续流线，断裂区域正好处于变形大区域，如图16所示。

图16 流线形貌（黄线内为变形大区域）

4 结论

1）螺栓的化学成分均符合SCr420B钢的技术要求。

2）失效螺栓的断裂形式为延迟断裂，起源于头部和杆部的交界处，断面初始处呈明显的沿晶断裂，中部则呈准解理河流花样亦属脆性断裂。

3）失效件螺栓硬度不合格。

4）表面有脱碳现象，但根据G B/T3098.1—2010的要求测试，符合未增脱碳技术标准。

5）失效件的非金属夹杂物的级别合格。

6）失效件的断裂源处未发现明显异常情况，螺栓头部和杆部交界处变形明显为应力集中区。

此失效螺栓出现断裂是在头部和杆部交界处，主要因为制作过程中冷镦成形应力集中区，硬度偏高，在受到一定载荷后产生延迟断裂。

5 建议

1）根据材料降低硬度控制范围，降低加热温度或提高回火温度，也可以采用冷却速度慢一些的淬火冷却介质。

2）控制螺栓装配扭矩，避免受力过大。