摘 要:某30CrMnSiA 鋼螺栓在裝配過(guò)程中發(fā)生斷裂,通過(guò)掃描電鏡分析、硬度測(cè)試和金相檢 驗(yàn)等方法對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明:30CrMnSiA 鋼螺栓是裝配時(shí)工作人員操作不 當(dāng),所施加的扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大而導(dǎo)致的過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷裂。

關(guān)鍵詞:螺栓;斷裂;裝配;過(guò)載;扭轉(zhuǎn)

中圖分類號(hào):TG113.22 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2020)11-0059-03

螺栓連接是金屬材料鉚接、焊接之外的一種重 要連接方式,具有操作簡(jiǎn)單、可拆卸等優(yōu)點(diǎn)[1],被廣 泛應(yīng)用在航空、機(jī)械、交通、能源等行業(yè)[2-8]。由于 30CrMnSiA 鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下具有較高的強(qiáng)度和足 夠的韌性,在航空行業(yè)被廣泛應(yīng)用于制造對(duì)接接頭、 軸、齒輪和螺栓等[9]。

某 30CrMnSiA 鋼 螺 栓 規(guī) 格 為 M5 mm × 16mm,按照航空工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) HB1-130—2002《十字 槽90°沉頭螺栓》的技術(shù)要求制造。在采用該螺栓 對(duì)某航空結(jié)構(gòu)壁板進(jìn)行連接裝配時(shí)螺栓發(fā)生了斷 裂,現(xiàn)場(chǎng)使用的20件螺栓中有4件發(fā)生了斷裂。為 查明30CrMnSiA 鋼螺栓的斷裂原因,筆者對(duì)斷裂 螺栓進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析,便于采取相應(yīng)措施避免類 似失效事故再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 斷口分析

取兩件斷裂螺栓,分別編號(hào)為試樣1,2,對(duì)斷裂螺栓的斷口進(jìn)行觀察,宏觀形貌如圖1所示,可見(jiàn)斷裂位置均位于螺紋根部,斷口較為平齊,成纖維狀, 有明顯的塑性變形,瞬斷區(qū)表面粗糙,斷口為典型的扭斷斷口[10-11]。

采用掃描電鏡(SEM)進(jìn)一步對(duì)試樣1,2的斷 口進(jìn)行觀察,可見(jiàn)斷口均呈韌窩形貌,瞬斷區(qū)均為等 軸韌窩形貌,如圖2所示。瞬斷區(qū)以外的區(qū)域均為 拉長(zhǎng)的韌窩形貌,其韌窩具有明顯的方向性,如圖3 所示。

1.2 硬度測(cè)試

在試樣1,2的斷口上取點(diǎn)進(jìn)行維氏硬度測(cè)試,結(jié) 果如表1所示,可知試樣1,2硬度的平均值分別為 358,361HV10,根據(jù) GB/T1172—1999《黑色金屬硬 度及強(qiáng)度換算值》轉(zhuǎn)換為強(qiáng)度可得螺栓材料的抗拉強(qiáng) 度分別為1164,1174MPa,進(jìn)一步轉(zhuǎn)換可得螺栓的 破壞拉力分別為16530,16670N。根據(jù) HB1-130— 2002 的 要 求,螺 栓 材 料 的 強(qiáng) 度 應(yīng) 在 1 080~ 1280MPa,破壞拉力應(yīng)不低于14500N,可見(jiàn)螺栓材 料的強(qiáng)度和破壞拉力均符合制造標(biāo)準(zhǔn)的要求。

1.3 金相檢驗(yàn)

在試樣1,2的斷口附近取樣制備金相試樣,采用光學(xué)顯微鏡對(duì)其顯微組織進(jìn)行觀察,可見(jiàn)其顯微 組織均為正常的回火索氏體,試樣1顯微組織形貌 如圖4所示。將螺栓沿軸向剖開(kāi),對(duì)螺紋根部顯微 組織進(jìn)行觀察,可見(jiàn)螺紋根部無(wú)裂紋,為正常的滾制 螺紋變形組織,螺紋表面也未發(fā)生脫碳,試樣1螺紋 根部顯微組織形貌如圖5所示。

2 分析與討論

理化檢驗(yàn)結(jié)果表明,斷裂螺栓的強(qiáng)度和破壞拉 力符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)30CrMnSiA 鋼的技術(shù)要求。螺栓的 顯微組織正常,螺紋根部無(wú)裂紋,為正常的滾制螺紋 變形組織。

斷口分析結(jié)果表明,螺栓斷口較為平齊,成纖維 狀,有明顯的塑性變形,瞬斷區(qū)表面粗糙,斷口呈典 型的塑性材料扭轉(zhuǎn)斷裂形貌特征。整個(gè)斷口均呈韌 窩形貌,表明其斷裂模式為韌性斷裂。

對(duì)于塑性材料,在超過(guò)材料強(qiáng)度極限的扭轉(zhuǎn)載 荷作用下,其會(huì)在切應(yīng)力作用下發(fā)生切斷,形成的斷 口與材料的軸線垂直,且斷口較為平齊,有回旋狀塑 性變形痕跡[12]。螺栓在裝配過(guò)程中承受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力 載荷,螺栓材料在其制造標(biāo)準(zhǔn)條件下表現(xiàn)出明顯的 塑性變形,且其斷口呈典型的塑性材料扭轉(zhuǎn)斷裂形 貌特征,結(jié)合螺栓的強(qiáng)度、顯微組織均符合制造標(biāo)準(zhǔn)要求,判斷螺栓斷裂是由于其在裝配過(guò)程中承受的 載荷過(guò)大而導(dǎo)致的過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷裂。

在采用螺栓和螺母配合對(duì)構(gòu)件進(jìn)行裝配緊固 時(shí),是采用扭轉(zhuǎn)力矩將其擰緊,扭轉(zhuǎn)使得螺栓因受力 而發(fā)生微量變形,并因抵抗變形而產(chǎn)生軸向力,該軸 向力起到緊固的作用。由于扭轉(zhuǎn)在螺栓的螺紋根部 形成了切應(yīng)力,使得螺栓斷裂所需的扭轉(zhuǎn)力低于軸 向拉伸時(shí)把螺栓拉斷所需的拉力,約為軸向拉力的 80% [10],因此在裝配緊固小尺寸螺栓、螺釘時(shí),應(yīng)防 止施加的扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大而導(dǎo)致其斷裂。螺栓在裝配 過(guò)程中,兩名操作工用套筒扳手各在一側(cè)對(duì)螺栓和 螺母分別擰緊,兩人同時(shí)快速用力,這種裝配方式難 以控制施力大小,容易瞬時(shí)施加較大的扭轉(zhuǎn)力,使得 螺栓因過(guò)載而斷裂。

3 結(jié)論及建議

螺栓斷裂模式為韌性斷裂,螺栓的材料不存在 質(zhì)量問(wèn)題,是裝配過(guò)程中工作人員操作不當(dāng),施加的 扭轉(zhuǎn)載荷過(guò)大導(dǎo)致螺栓因過(guò)載而斷裂。 為避免因裝配應(yīng)力過(guò)大導(dǎo)致螺栓扭轉(zhuǎn)斷裂,需 制定合適的裝配工藝,并控制好裝配扭力。建議兩 名操作工在裝配時(shí),一人不轉(zhuǎn)動(dòng)扳手,僅負(fù)責(zé)用扳手 將螺母固定即可,另一人則負(fù)責(zé)用扭矩扳手將螺栓 擰緊,且嚴(yán)格控制擰緊力矩使其不會(huì)導(dǎo)致螺栓過(guò)載。 采取以上措施后,幾乎沒(méi)有發(fā)生過(guò)螺栓過(guò)載扭轉(zhuǎn)斷 裂事故。

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