螺栓断裂失效模式--案例分析
螺栓的断裂失效模式，一直是行业内的重要研究课题。
今天，螺丝君通过本篇文章的案例分析，希望能对各位老铁有一定启示。
螺栓广泛应用在汽车零部件联接，但在实际生产、制造和装配过程中，各种异常因素会导致螺栓连接出现如内螺纹滑牙和螺栓断裂等失效。
螺栓断裂是最常见的一种失效，常见的螺栓断裂形式有疲劳断裂、脆性断裂、应力腐蚀断裂、蠕变断裂等。
而导致螺栓断裂的原因一般有疲劳载荷、剪切载荷和拉伸载荷等，常见的断口有疲劳断口、韧性断口、剪切断口等。
发动机点火线圈的功能是将12V的低压电转化为15~20 kV高压电，高压电通过火花塞变成高压电火花点燃可燃混合气体。
点火线圈固定螺栓是将点火线圈固定在发动机缸体上，通过拧紧从而夹紧点火线圈，防止在振动载荷下点火线圈的脱落。
按照VDI2862对拧紧点的等级的分类（主要分为KAT A、KAT B、KAT C三类），该拧紧点的拧紧等级为KAT B，即拧紧如出现失效，会导致汽车出现如抛锚等功能性失效。
此外，发动机点火线圈是个耗损件，汽车每行驶一定的里程数就需要更换。更换时，需先拧松固定螺栓，更换火花塞后重新拧紧固定螺栓。
01
问题描述
某车辆在路试至50 000 km准备进行火花塞拆装时，第4缸点火线圈固定螺栓底部断裂，其它3缸点火线圈固定螺栓正常。
(a) 点火线圈固定螺栓的装配位置
(b) 断裂的第4缸点火线圈固定螺栓
▲ 图 1 点火线圈固定螺栓的装配位置和断裂失效螺栓
02
测试分析
1、断口分析
采用体式显微镜对失效的螺栓进行宏观断口分析，宏观断口如图2a所示，断口呈现扭转方向，推测螺栓断裂前受到扭转力。
采用扫描电子显微镜（SEM）对失效的螺栓进行微观断口分析，微观断口如图2b所示，失效件断口为典型的塑性断口，呈顺时针方向剪切韧窝，结合失效螺栓有明显的扭曲变形，推测螺栓是受扭转力过载而导致的断裂。
（a）宏观断口
（b）微观断口
2、显微金相和硬度分析
该螺栓的材料为宝钢SWRCH40K，通过调制热处理达到8.8级的强度。根据标准为ISO 898-1，该螺栓的硬度范围为250-320HV10。
对失效件进行金相检验，检验的结果显示失效螺栓的主要组织为回火索氏体，组织正常，金相图片如图3所示。
采用硬度机对失效螺栓的心部进行硬度测试，测试的结果范围为290-298HV10。符合8.8级螺栓强度要求，详细测试结果如表1所示。
▲ 图 3 失效螺栓金相
▲ 表 1 失效螺栓硬度
3、模拟装配分析
为进一步确认失效的原因，实验室设计了如下实验：
a（实际零件上拧至失效）、b（实际零件上重复拧紧6次）、c（将螺栓扭转断裂）和 d（将螺栓拧在螺母上至断裂）4种模拟装配实验，如表2所示。
▲ 表 2 失效模式假设与模拟装配
a） 实际零件上模拟装配拧紧至失效。
模拟装配的装置图如图4a所示，螺栓直接拧在发动机壳体的螺纹孔上至失效。拧至16 N·m后开始失效，螺栓无损坏，未出现扭曲和断裂现象（图4b），模拟拧至失效的拧紧曲线如图4c所示，失效模式为铝缸体内螺纹滑牙。
这说明按照正常情况进行拧紧，即使拧至失效，该螺栓也不会发生断裂。
(a) 模拟装配装置
(b) 模拟装配实验后的螺栓
(c) 模拟装配曲线
▲ 图 4 实际零件上拧紧至失效模拟装配实验
b） 实际零件重复拧紧 6 次。
模拟装配实验的装置和图4a相同，按照设计的工艺扭矩拧至11 N·m，再拧松。重复6次，取出螺栓，螺栓的状态如图5a所示，螺栓未出现扭曲或断裂等失效。
模拟装配曲线如图5b所示，曲线未出现屈服或扭矩掉落等现象。这说明按照11 N·m正常重复多次拧紧，螺栓也不会出现断裂等失效。
(a) 模拟装配实验后的螺栓
(b) 模拟装配曲线
▲ 图 5 实际零件上重复拧紧模拟装配实验
c） 将螺栓扭转断裂。
将螺栓一端夹在台虎钳上，让螺栓的拧紧时无法自有伸长，此时螺栓只承受切应力。
螺栓拧至断裂失效的装置如图6a所示，模拟装配曲线如图6b所示，螺栓在拧至12 N·m时出现屈服，拧至14 N·m时出现断裂。
(a) 模拟装配实验后的螺栓
(b) 模拟装配曲线
▲ 图 6 将螺栓扭转断裂模拟装配实验
d） 将螺栓拧在螺母上至断裂。
为让模拟螺栓在装配过程中拉断，实验室设计将螺栓穿过钢垫片，拧在高强度等级的螺母上（等级为10级），拧至失效后，螺栓出现断裂。
实验装置如图7a所示，断裂的螺栓如图7b所示，模拟装配的曲线如图7c所示。螺栓在拧至13 N·m开始屈服，拧至15 N·m左右断裂。
(a) 模拟装配装置图
(b) 模拟装配实验后的螺栓
(c) 模拟装配曲线
▲ 图 7 将螺栓拧在螺母上至断裂模拟装配实验
03
分析和讨论
根据失效螺栓的硬度和心部金相测试结果，螺栓的强度符合设计要求。
模拟装配的a实验结果表明螺栓在铝缸体上正常拧紧时不会出现断裂。当拧至较高的扭矩时，即使铝缸体内螺纹出现滑牙，螺栓也不会出现断裂。
模拟装配的b实验结果表明按照设计的工艺扭矩多次重复装配，螺栓也不会出现断裂。
模拟装配实验c和模拟装配实验d的测试过程中，螺栓均出现断裂。因此，对比这两种状态的螺栓断口和失效件的断口。
宏观断口的对比如图8所示，通过对比发现，失效件断口和模拟装配c实验的拧断断口较相似。
微观断口的对比如图9所示，失效件和模拟装配c实验的拧断断口的韧窝均呈一定方向性，相似性较高，均主要受扭转剪切载荷而断裂。
模拟装配d实验的螺栓断口主要呈轴向韧窝，与主要受扭转剪切载荷失效件断口差异较大。这说明d实验的螺栓主要承受拉伸载荷而断裂。
(a) 失效螺栓
(b) 扭转断裂螺栓
(c) 主要承受拉力断裂的螺栓
▲ 图 8 宏观断口对比
(a) 失效螺栓
(b) 扭转断裂螺栓
(c) 主要承受拉力断裂的螺栓
▲ 图 9 微观断口对比
通过宏观断口和微观断口的对比分析，确定失效件主要承受扭矩载荷而导致的断裂，实验室进一步对点火线圈固定螺栓的拧紧过程进行了调研。该螺栓拆装后，未采用定扭矩扳手进行拧紧，而是直至拧不动为止。
40000 km更换第二次更换火花塞时，螺纹孔已出现轻度滑牙。螺纹孔滑牙会导致螺栓拧紧时无法自由向下运动。
此时，继续拧紧时，螺栓会主要承受扭转载荷，同时未采用定值扭力扳手，可能会导致螺栓承受过拧的载荷，使得螺栓产生不可逆的剪切塑性变形或微裂纹，最终导致螺栓在路试中断裂。
因此，断裂原因很可能发生在第二次更换火花塞时，螺栓没有正常拧入（内螺纹已损伤或螺栓倾斜拧入），以致拧紧扭矩高于扭断扭矩14 N·m，进而导致螺栓扭转断裂。
04
螺丝君经验与总结
1) 点火线圈固定螺栓主要承受剪切载荷而断裂，其断口呈顺时针方向剪切韧窝。
2) 通过模拟装配对比分析，失效的点火线圈固定螺栓宏观和微观断口与该螺栓纯扭转（状态）的断口最为相似，这也进一步说明螺栓的断裂模式为扭转（剪切应力）断裂失效。
3) 点火线圈固定螺栓断裂的可能原因为第二次40000Km更换火花塞时，螺栓没有正常拧入（内螺纹已损伤或螺栓倾斜拧入），且拧紧扭矩高于螺栓扭转断裂扭矩14Nm，进而导致螺栓扭转断裂。
转载自《GAF螺丝君》
