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汽車螺栓裝配時多次開裂原因分析

2024年11月20日 仁成精密鋼管廠1333???3??? 鋼鐵知識 百度已收錄 № 127740

汽車螺栓裝配時多次開裂又是什么情況?

螺紋聯接是汽車制造技術中最基礎、標準程度最高的機械零件，同時也是汽車行業運用最廣泛的聯接工藝，結構簡單，聯接可靠，在整車裝配過程中具有高精度、裝配方便、零件拆裝便利、重復使用性好等優點。零件采用螺栓聯接，就是依靠“擰緊”所施加扭矩來實現兩個被聯接體緊密貼合并具備足夠的軸向預緊力（即軸向拉應力），以確保被聯接零件的可靠聯接和正常工作。在裝配時，夾緊力必須足夠大，以保證被連接零部件在工作過程中不發生相對移動；另外，所施加的夾緊力必須保證螺栓和被聯接零部件在裝配和服役過程中不會發生破壞或塑性變形。


目前，在汽車裝配生產過程中，可將扭矩作為中間量來評價螺栓聯接的裝配質量，比如扭矩控制法通過控制螺栓的最終扭矩來獲得螺栓所需要的軸向預緊力，當擰緊扭矩達到設定的目標扭矩時立即停止擰緊，從而結束扭矩控制。在發動機裝配工藝過程中，螺栓聯接已經成為最常用的緊固和聯接方式，而擰緊工藝過程是其中的重要環節，通過優化設計對擰緊過程監控策略，進行有效的系統性預防，降低擰緊過程的質量風險，從而提高裝配工作效率。

汽車螺栓的失效案例頻發，失效原因多樣，例如在使用過程中因螺栓松動而發生多源疲勞斷裂；因加工過程產生的微裂紋導致氫致延遲斷裂；表面增碳導致延遲開裂；淬火裂紋在裝配時擴展而斷裂。某供應商生產的一批用于固定發動機噴油嘴的圓柱頭內六角螺栓在裝配時多次發生開裂。本文利用金屬材料學的基本原理來研究分析螺栓斷裂的根本原因，防止失效問題再次發生。

1. 問題描述
某型號汽車發動機噴油嘴使用46S20鋼制圓柱頭內六角螺栓進行裝配固定，裝配工人使用正確的扭矩進行作業時，某批次螺栓多次發生貫穿式的縱向開裂，螺栓的圓柱頭與螺紋段均從外向里斷裂至中心孔，如圖1所示。事后調查，電子程序監控結果顯示使用的扭矩符合要求，根據追溯性文件發現斷裂的螺栓全部來自某供應商生產的同一批次。

（a）                                                                     （b）

圖1  螺栓斷裂形貌特征


2. 試驗方法
使用Spectro MaXx型直讀光譜儀進行化學成分分析；從中心孔將一個螺栓切開，斷裂面自然打開，使用Keyence VHX-1000型超景深三維光學顯微鏡觀察斷口形貌特征；在另一個螺栓圓柱頭位置切取橫截面的金相試樣，磨拋處理后經4%硝酸酒精腐蝕，使用Zeiss Axio Imager M2m型顯微鏡進行觀察分析。


3. 結果與分析
（1）化學成分
對斷裂的噴油嘴螺栓進行取樣，經直讀光譜儀進行化學成分分析，結果如表1所示，顯示螺栓的化學成分均符合易切削鋼46S20的規范要求（EN 10277-3：2008）。46S20屬硫系易切削鋼牌號，適用于制造對力學性能要求不高的各種零件，如螺栓、螺母等。　　

表1  螺栓的化學成分（質量分數）  （%）

（2）斷口觀察
從隨機挑選的斷裂螺栓中心孔將其切開，斷裂面自然打開，如圖2所示。圓柱頭圓周面向內很大深度范圍內（藍色雙箭頭所示）斷裂面較為平整，表面呈現出明暗相間的花紋，藍色方框放大后發現其具有高溫氧化的跡象（見圖3）；新鮮斷裂面如圖2黃色雙箭頭區域所示，該段屬于裝配工序產生的裂紋，線性起源于高溫氧化區域的末端，向中心孔的方向擴展。斷裂面具有明顯的宏觀臺階狀特征，無塑性變形。

圖2  斷口的體視學形貌


圖3  斷裂面上的高溫氧化特征


（3）金相組織
沿另一個隨機挑選的斷裂螺栓圓柱頭部制取橫截面金相試樣，金相觀察發現，從外緣向內至約1/2壁厚處，裂縫走向較為平滑，然后轉為曲折（見圖4）。低倍下觀察，平滑段裂縫兩側具有泛白的特征。高倍下觀察，平滑段裂縫附近具有明顯的高溫脫碳特征，脫碳層深度可達0.15mm，如圖5所示；而正常區域組織為珠光體加鐵素體，晶粒細小，如圖6所示。

圖4  橫截面試樣的組織特征


圖5 裂縫附近高溫脫碳特征


圖6  正常區域的金相組織


結合金相組織與體視學形貌的觀察結果，可判定外圓周面向內平滑段裂縫其實并非真正的裂紋，而是符合熱鍛成形工藝中產生的高溫折疊特征，并伴有一定深度的氧化與脫碳現象。對同批次未經使用的新螺栓進行抽檢，螺栓圓柱頭部也發現了折疊缺陷，如圖7所示。試樣經侵蝕后發現，折疊附近的微觀組織結構具有與折疊大致平行的加工流線特性，具有明顯的高溫脫碳特征，且存有一處較大的氧化物夾渣，如圖8所示。

圖7  新螺栓橫截面試樣的折疊缺陷（拋光態）


圖8 新螺栓橫截面試樣的折疊缺陷（侵蝕態）


經上述分析，可斷定螺栓在正確裝配過程中發生斷裂與螺栓圓柱頭部外表面的折疊缺陷有關。折疊的深度較大，甚至超過1/2壁厚，這顯著降低了螺栓可承載應力的有效截面積，而且易引起應力集中。在裝配扭矩扳手的扭轉作用下，折疊前端形成較強的拉應力，萌生線性裂紋源，并迅速向中心孔方向擴展，導致低應力脆斷。

4. 結語
本文對裝配中斷裂的汽車噴油嘴螺栓油管做了斷口觀察、光譜分析、金相檢驗等試驗，探究了螺栓斷裂的產生原因，主要結論如下。

（1）螺栓的化學成分及金相組織均符合規范要求。

（2）螺栓圓柱頭部外表面存在較深的熱加工折疊缺陷，是導致螺栓異常斷裂的根本原因。

（3）螺栓制造商需合理優化熱成形工藝，避免類似折疊缺陷的產生，同時加強質量檢驗，杜絕問題件出廠。


作者：孔德群、周建、楊利

單位：北京奔馳汽車有限公司，材料實驗室

來源：《金屬加工（熱加工）》雜

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2019年12月11日 11:44 紫玉烟华的阑干 [山西省大同市网友]

方便加一下微信吗？

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2019年12月11日 10:57 笠蓑湿 [湖北省襄州区网友]

像您的文章写的这么专业的，真的不多，学习中......

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2019年12月11日 10:54 罂粟 [山东省新泰市网友]

这篇文章写得好！

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2019年12月11日 9:22 [山西省保德县网友]

精密钢管博客，专业！

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2019年12月11日 8:42 必相依 [山东省莱阳市网友]

这篇文章很专业哦，收藏了。

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2019年12月11日 8:35 地老天荒 [黑龙江省道里区网友]

微信公众号 steeltuber 是你们的吧？

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2019年12月11日 7:38 [云南省文山壮族苗族自治州网友]

你好，我们特斯拉将在中国建厂，希望有机会合作共赢。

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2019年12月11日 6:56 殊途 [辽宁省海州区网友]

上次问你们定的管子 我定的公差是 +/-0.10 结果你们发过来的货是 +/-0.03了公差，我们的轴承装不上去，精度做的太高了。

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2019年12月11日 5:42 琵琶曲里的思念 [浙江省衢州市网友]

你们厂在哪里？

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2019年12月11日 4:29 [广西壮族自治区平南县网友]

你好，我们是拉伸机厂，你们的管子要不要用到拉伸机？

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2019年12月11日 4:00 糊涂壹世

你好，请问 现在10*1什么价格？

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2019年12月11日 3:55 [广东省禅城区网友]

不想说什么，就是想来点个赞！

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2019年12月11日 3:36 [海南省琼海市网友]

你好 我们是做直线度测量仪的 请问你们有需要不？

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2019年12月11日 2:25 淮上晚风 [山东省苍山县网友]

Thanks!

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2019年12月11日 1:54 [山东省市辖区网友]

14*1.5 汽车预警装置上面用的管子 你们可以生产不？

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2019年12月11日 0:15

一个字 “赞”！！！！

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2019年12月11日 0:13 烟花沼泽 [辽宁省网友]

Good quality

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2019年12月10日 23:48 沃飞客服 [四川省市中区网友]

这篇文章写的很到位，专业知识分析的很透彻，正在研读中......

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2019年12月10日 23:22 覆水难收 [重庆市奉节县网友]

What's your email address? I want to order steel tube.

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2019年12月10日 22:12 花争发 [广东省海珠区网友]

这方面的技术 要学习学的。

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2019年12月10日 20:22 孤叶 [浙江省永嘉县网友]

Could you please represent our German products?

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2019年12月10日 20:04 [河北省张家口市网友]

China quality made！

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2019年12月10日 19:30 情已空 [山东省招远市网友]

这篇文章专业的。

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2019年12月10日 19:11 热血江湖 [黑龙江省绥棱县网友]

收藏！

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2019年12月10日 17:29 爆笑家族 [陕西省汉阴县网友]

专业！

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2019年12月10日 17:05 遗忘之人 [云南省临沧市网友]

钢材技术全面的。

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2019年12月10日 16:40 [山西省朔城区网友]

Hello, pls send your offer to steeog@gmail.com we need the tube 13*1.5 SAE1020 Thanks!

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2019年12月10日 15:23 [安徽省瑶海区网友]

Good technology！

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2019年12月10日 15:03 曾经只是过去式 [黑龙江省拜泉县网友]

你们公司钢管最精的精度做到多少？

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2019年12月10日 14:19 小意境 [湖南省常宁市网友]

你好，我是做检测仪器的，你们钢管要用光普仪不？

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