现有失效组合件2套,断裂双头螺柱残件1枚,完好螺柱2枚。螺柱规格为M8×24,制造工艺为;材料入库-落料-热处理(淬火温度1080℃,保温160min,回火温度700℃,保温180min)-磨床加工-数控加工-搓丝。据了解,螺柱为柴油机台架耐久试验时发生断裂,试验时间为20~300小时不等,螺柱安装扭矩为18~23N·m,最高工作温度500℃,且此类失效并不是偶然现象,耐久试验经常发生螺柱断裂情况,并存在松动现象,现要求分析其断裂原因。图1所示为耐久试验现场照片,螺柱服役过程中承受交变载荷,且存在温度过高的情况。图2所示为其试样宏观形貌,将两套组合件分别标记为1#和2#,其中1#组合件断裂3枚螺柱,2#组合件断裂2枚螺柱。1#组合件选取2枚螺柱,2#组合件选取1枚螺柱进行重点分析,螺柱位置如图2中红框所示,分别标记为1#-1、1#-2、2#-1。图3所示为1#-1断裂螺柱宏观形貌,可见断裂发生于螺柱与法兰螺纹孔配合首牙处。图4所示为1#-2断裂螺柱宏观形貌,可见断裂发生于螺母侧螺纹收尾处。图5所示为2#-1断裂螺柱宏观形貌,可见断裂发生于螺柱与法兰螺纹孔配合首牙处。
图1 耐久试验现场照片
图2 试样宏观形貌
图3 1#-1断裂螺栓宏观形貌
图4 1#-2断裂螺栓宏观形貌
图5 2#-1断裂螺栓宏观形貌
2. 断口分析
图6所示为1#-1螺柱断口电镜低倍形貌,断裂发生于螺纹牙底,断口平整,无明显塑性变形。断口上下边缘均可见明显的轮辐状台阶,断面隐约可见“海滩花样”。将断口分为A1、B1、C1、D1四个区域进一步描述。
图6 1#-1螺柱断口电镜低倍形貌
图7所示为A1区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图7 A1区微观形貌
图8所示为B1区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图8 B1区微观形貌
图9所示为C1区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图9 C1区微观形貌
图10所示为D1区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图10 D1区微观形貌
图11所示为1#-2螺柱断口电镜低倍形貌,断裂发生于螺纹牙底,断口平整,无明显塑性变形。断口边缘均可见明显的轮辐状台阶,断面隐约可见“海滩花样”。将断口分为A2、B2、C2、D2四个区域进一步描述。
图11 1#-2螺柱断口电镜低倍形貌
图12所示为A2区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图12 A2区微观形貌
图13所示为B2区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图13 B2区微观形貌
图14所示为C2区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图14 C2区微观形貌
图15所示为D2区微观形貌,可见明显的韧窝形貌。
图15 D2区微观形貌
图16所示为2#-1螺柱断口电镜低倍形貌,断裂发生于螺纹牙底,断口平整,无明显塑性变形。断口上边缘均可见明显的轮辐状台阶,断面可见明显的“海滩花样”。将断口分为A3、B3、C3、D3四个区域进一步描述。
图16 2#-1螺柱断口电镜低倍形貌
图17、图18所示为A3、B3两区微观形貌,断面存在明显的覆盖物,未发现典型的断口学特征。图19、图20所示为A3、B3两区能谱分析结果,可见覆盖物主要成分为氧化铁,并存在少量铬元素。
图17 A3区微观形貌
图18 B3区微观形貌
图19 A3区能谱分析结果
图20 B3区能谱分析结果
图21所示为C3区微观形貌,可见明显的疲劳辉纹。
图21 C3区微观形貌
图22所示为D3区微观形貌,可见明显的剪切韧窝。
图22 D3区微观形貌
3. 金相检测
截取1#-2及2#-1螺柱断口附近纵截面进行金相观察。图23所示为1#-2螺柱断口附近金相组织,可见断裂起始于螺纹牙底。断口附近螺纹牙底未发现明显的脱碳现象,但可见明显的折叠缺陷(图24所示)。
图23 1#-2螺柱断口附近金相组织
图24 1#-2螺柱断口附近螺纹牙底金相组织
图25所示为1#-2螺柱完好螺纹金相组织,未发现明显的脱碳现象,但螺纹牙底存在明显的折叠缺陷(图26所示)。
图25 1#-2螺柱完好螺纹金相组织
图26 1#-2螺柱完好螺纹牙底金相组织
图27所示为1#-2螺柱螺纹收尾处金相组织,可见螺纹收尾牙底过渡不圆滑,存在扩展中的微裂纹(图28所示),并可见明显的折叠缺陷(图29所示)。
图27 1#-2螺柱螺纹收尾处金相组织
图28 1#-2螺柱螺纹收尾处牙底金相组织
图29 1#-2螺柱螺纹收尾处牙底金相组织
图30所示为1#-2螺柱断口附近显微组织,为均匀的回火索氏体,组织致密,无异常。
图30 1#-2螺柱断口附近显微组织
图31所示为1#-2螺柱断口附近非金属夹杂物形态,根据“GB/T 10561-2005”标准规定,判定为D类球状氧化物(细系)1级,无异常。
图31 1#-2螺柱断口附近非金属夹杂物形态
图32所示为2#-1螺柱断口附近金相组织,可见断裂起始于螺纹牙底。断口附近螺纹牙底未发现明显的脱碳现象,但可见明显的折叠缺陷(图33所示)。
图32 2#-1螺柱断口附近金相组织
图33 2#-1螺柱断口附近螺纹牙底金相组织
图34所示为2#-1螺柱断口相邻螺纹牙底金相组织,可见明显的折叠缺陷。
图34 2#-1螺柱断口相邻螺纹牙底金相组织
图35所示为2#-1螺柱断口附近显微组织,为均匀的回火索氏体,组织致密,无异常。
图35 2#-1螺柱断口附近显微组织
图36所示为2#-1螺柱断口附近非金属夹杂物形态,根据“GB/T 10561-2005”标准规定,判定为D类球状氧化物(细系)1级,无异常。
图36 2#-1螺柱断口附近非金属夹杂物形态
4. 性能检测
选取一枚完好螺柱进行高温拉伸试验,温度设置为500℃,当拉力达到23.81kN时螺柱发生断裂,完好螺柱500℃下抗拉强度为651MPa。
对1#-2及2#-1螺栓进行芯部硬度检测,结果如表1所示,根据ASTM E140标准转换为洛氏硬度,GB/T 1172转换为抗拉强度,均符合其提供的技术要求。
表1 螺柱硬度检测
5. 模拟装配试验
截取组合件法兰螺纹孔,与完好螺柱及螺母组成连接副(图37所示),模拟安装过程(图38所示)中螺柱实际受力状态,结果显示,当施加扭矩值为18N·m时,螺柱承受的轴力为8.46kN,当施加扭矩为23N·m时,螺柱承受的轴力为10.79kN。根据其提供的技术要求,最小屈服强度为685MPa,M8螺柱应力截面积为36.6mm2,计算得螺柱最小屈服力为25.07kN,因此安装后螺栓实际承受轴力不足屈服力的50%。
图37 螺柱连接副示意图
图38 模拟安装示意图
6. 高温松弛试验
选取一枚完好螺栓进行高温松弛试验,温度保持500℃,初始载荷为10.79kN,保持位移不变,结果曲线如图39所示,500℃下保持24h后,螺柱承受载荷由10.79kN衰减至6.84kN。
图39 高温松弛试验曲线图
7. 化学成分分析
采用电感耦合等离子发射光谱及碳硫分析仪对1#-2螺柱进行化学成分分析,结果如表2所示,材质符合其提供的技术要求。
表2 1#-2螺柱化学成分(%)
8.综合分析
螺柱断裂发生于螺纹牙底,断面平整,无明显塑性变形,断口低倍形貌可见“海滩花样”呈现典型的疲劳断裂特征。断口微观形貌可见大面积的疲劳辉纹,辉纹间距较窄,说明疲劳裂纹扩展过程中螺柱受力较小,终断区面积不足整个断面面积的10%,说明最终断裂时螺柱受力较小,呈现典型的高周低应力疲劳断裂特征。因此判定螺柱失效模式为高周低应力疲劳断裂。
螺柱化学成分,显微组织、表面脱碳、非金属夹杂物、力学性能等指标均未发现异常。螺纹牙底存在明显的折叠,此类缺陷加剧牙底的应力集中状态,易成为疲劳裂纹的起源。模拟安装试验显示,施加扭矩为23N·m时螺柱承受预紧力不足其屈服力的50%,在振动作用下螺柱易发生松动,松动后螺柱将承受复杂的交变应力作用,易在其应力集中部位萌生疲劳裂纹。另外,高温松弛试验结果显示,500℃保持24h后,在位移不变的情况下螺柱承受载荷衰减至初始载荷的60%,因此高温下螺柱更易发生松动。在上述因素的综合作用下,螺柱的应力集中部位首先萌生微裂纹,并在交变载荷作用下不断扩展,最终失稳断裂。
9. 结论
(1)螺柱失效模式为高周低应力疲劳断裂;
(2)引起螺柱疲劳断裂的主要原因是螺纹牙底存在折叠,安装预紧力不足以及材料存在明显的高温松弛现象;
(3)建议改进搓丝工艺,防止螺纹牙底形成折叠;通过模拟试验优化安装工艺;螺柱设计选材时应考虑高温松弛量。
