汽车紧固件常见失效模式及原因介绍

汽车使用的紧固件一般为高强度紧固件,其在连接中紧固件失效是常见一种形式,紧固件失效模式和原因各种各样,为了让大家对汽车紧固件连接的使用有更多的了解,根据了解列出汽车紧固件常见的几种失效模式以及导致紧固件失效的原因。
1、汽车紧固件头部r角失效
某型车扭杆弹簧调整支架与车架连接螺栓断裂,螺栓的断裂位置均发生在头部r角处,如图1所示。
图1失效螺栓形貌
对失效螺栓的断口进行分析可知,螺栓均为疲劳断裂,如图2所示。
图2断口形貌
该螺栓规格m14,10.9级,硬度检验结果为(34-36)hrc,符合gb/t3098.1-2010中的技术要求。该螺栓可能是螺栓头部r角处制造问题,(r
角过小导致应力集中),产生的局部应力集中造成疲劳断裂。
对于螺纹紧固件,在gb/t3098.1-2010中明确规定,在拉伸试验时,螺栓的断裂位置,不应断裂在头部或头部与杆部交接处。为保证头部r角处的
强度,在iso885中规定了螺栓头下r角的规格,如表1所示。
对于该螺栓(m14),头部r角的尺寸≥0.6mm,而实际的r角半径小于规定尺寸。r角设计不合理(或图纸中未规定r角值)以及r角加工缺陷(车削、
金属折叠等)均有可能导致r角处强度下降或造成应力集中,导致螺栓头下r角处断裂失效。
2、汽车紧固件延迟断裂
某越野车装车后在厂内路试时发生轮胎螺栓断裂现象,行驶里程小于10公里,无负重,螺栓断裂形貌见图3。
图3失效螺栓断裂形貌
对该断裂螺栓进行分析,如图4所示,裂纹萌生于螺栓的r角处,扩展至约1/2r处时开始出现纤维状断口特征,之后裂纹发送了快速扩展。整
个断口较为平整,呈典型的脆性断裂特征。
图4失效螺栓断口形貌
对螺栓断口进行扫描电镜分析可知,该螺栓断口具有典型的沿晶断裂特征,微观形貌呈冰糖状,并且存在一些二次裂纹,应为延迟断裂(氢脆),如图5所示。
图5失效螺栓断口扫描电镜形貌
该失效螺栓机械性能等级为10.9级,硬度检验结果为(39-42)hrc。硬度值高,不符合gb/t3098.1-2010中的技术要求。
材料的组织、氢和应力状态是高强度螺栓氢致延迟断裂的三个重要因素,尤其是内氢在螺栓根部应力集中处的扩散、富集,是高强度螺栓断裂的主要因素。
有资料研究表明,材料的氢脆敏感性与其强度、硬度有关,材料的硬度越高,越易发生延迟断裂。应力集中程度、变形比和环境也会对延迟断裂有影响。此外,延迟断裂与使用环境(如潮湿、酸性环境)有关,腐蚀环境下易产生氢气,也会导致螺栓的延迟断裂。
对于高强度螺栓,在加工过程中要控制热处理工艺,使硬度在合适的范围内,并严格控制氢气的吸入,最好不采用电镀表面处理,推荐采用环保的锌铝涂层处理,耐腐蚀性提高,且可避免氢致延迟断裂的发生。若采用电镀工艺,必须进行除氢处理。
3、紧固件材料选用不当
某增压型发动机排气歧管双头螺柱在试验过程中发生断裂,如图6所示。断裂双头螺栓材料为40cr10si2mo,属于马氏体型耐热钢。
图6失效螺栓断裂形貌
失效螺栓断口如图7所示,该螺栓为典型的疲劳断裂失效。
图7失效螺栓断口形貌
该双头螺栓断裂原因为材料选用不当,导致螺栓的疲劳断裂。
从不同温度下材料的强度测试结果可知,40cr10si2mo在温度≥500℃时,强度显著下降,而suh660在温度>650℃时强度才开始下降,如图8所示。
图8高温条件下的屈服强度
双头螺栓的金相组织为隐针马氏体+碳化物,suh660材料的金相组织为奥氏体加碳化物,如图9所示。
图9金相组织
对于排气歧管的位置,工作温度较高,40cr10si2mo无法满足排气歧管处的高温环境,建议选用suh660材料,更适合高温环境下的紧固连接。
4、汽车紧固件疲劳断裂
某车燃油箱后托架上侧螺栓断裂在道路试验过程中发生断裂。根据图纸技术要求,该螺栓为m14,10.9 级,无摩擦系数规定,风动扳手拧紧,拧紧力矩(260-280)n·m。试验后螺栓断裂,只提供了一段螺栓,断裂宏观形貌见图10。
图10 失效螺栓断裂形貌
螺栓断口形貌见图 11。螺栓发生弯曲疲劳断裂,疲劳源位于螺纹牙底表面,因碰撞该区域已破坏。
图11 失效螺栓断口形貌
对螺栓断口进一步分析可知,断口ⅰ区可观察到明显的疲劳海滩状弧线,见图 12a。从高倍放大形貌中可观察到较多微裂纹,如图12b所示。
图12 疲劳裂纹扩展区(ⅰ区)形貌
断口的ⅱ区和ⅲ区疲劳海滩状弧线比ⅰ区的宽,见图 13a 和图 14a,说明螺栓的应力状态发生变化;高倍放大形貌中也可观察较多的微裂纹,见 图13b和图14b。
图13 疲劳裂纹扩展区(ⅱ区)形貌
图14 疲劳裂纹扩展区(ⅲ区)形貌
ⅳ区断口的微观形貌见图 15。该区为螺栓断口的瞬断区,微观形貌为细小的韧窝,说明该螺栓的韧性较好。
图15 瞬断区形貌
螺栓断在螺纹处,为松动后被连接件对螺栓产生了弯矩,进而在交变载荷的作用下产生疲劳裂纹扩展,最终导致螺栓发生弯曲疲劳断裂。
在实际使用过程中,螺栓因松动导致疲劳断裂的频次最多,影响也最大。螺栓松动是由于轴向预紧力不足,而影响轴向预紧力因素有:
a、拧紧力矩不合理,如扭矩过小,导致轴向预紧力不足;
b、若拧紧扭矩是合理的,拧紧工具的精度也影响实际的装配效果,如气动工具的精度误差为±50%,拧紧扭矩在下限时,可能会导致预紧力不足;
c、螺栓未规定摩擦系数,产品质量的一致性没有严格控制,可能由于产品质量或摩擦系数的波动,导致拧紧至规定扭矩时轴向预紧力不足引起松动;
d、实际装配过程中有异常,如螺纹或支撑面有铁屑等异物,也会导致虚假连接,扭矩达到要求,而实际的预紧力却没有达到要求,这种情况多出现在扭矩法装配时;
e、多个螺栓一起使用时,应对装配次序、装配步骤有要求,如简单装配,可能会对最后装配的螺栓产生偏扭矩,诸多因素都可能导致螺栓的失效。


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