挖掘機(jī)履帶鋼螺栓失效原因分析

12.9級六角頭螺栓,規(guī)格為M14×1.25×45,材質(zhì)為SCM435，經(jīng)調(diào)質(zhì)后直接利用余溫發(fā)黑。

該螺栓用于固定某型號挖掘機(jī)履帶，安裝扭矩為280N.m，裝配后放置于室外。在整機(jī)交付給客戶時發(fā)現(xiàn)該螺栓發(fā)生了斷裂，具體斷裂時間不能確定。取故障件2件，同批完好產(chǎn)品2件進(jìn)行斷裂分析。

 試驗過程與結(jié)果

故障件于頭部與桿部斷裂，斷裂部配合良好，頭部涂有灰色油漆，如圖14-60所示。

圖14-60 故障件形貌

故障件斷裂發(fā)生在螺栓頭下圓角位置，斷裂殘件頭部與桿部配合良好。頭部斷口成碗口狀向內(nèi)凹陷，表面較光滑，斷口附近無擦傷和塑性變形，如圖14-61所示。

桿部斷口表面平齊無明顯塑性變形，表面銹蝕嚴(yán)重，外側(cè)圓角邊緣表面光滑，顏色較深為斷口起裂位置，見圖14-62。

圖14-61  頭部斷口宏觀形貌                圖14-62 桿部斷口宏觀形貌

掃描電鏡對斷口微觀檢查，在掃描電鏡下觀察斷口的微觀形貌:

裂紋起源處微觀形貌，晶粒沿晶界分離呈冰糖狀，晶粒輪廓鮮明，有二次裂紋存在，無明顯夾雜，由于斷口銹蝕的原因，晶面細(xì)節(jié)已難以分辨,見圖14-63。

斷口中心區(qū)域表面形貌，可見表面有大量撕裂楞存在，具有穿晶準(zhǔn)解離斷裂特征,見圖14-64。

裂紋終斷處微觀形貌,為大小均勻的等軸韌窩形貌,見圖14-65

將斷裂試樣縱向切開制成金相試樣，掃描電鏡和顯微鏡觀察，發(fā)現(xiàn)斷口附近螺栓表面與心部組織一致，未發(fā)現(xiàn)滲碳或脫碳跡象。但裂紋源附近表面有較多折疊，折疊從表面與螺栓軸向呈一定角度向內(nèi)部延伸，折疊表面開口較寬但底部不尖銳，邊緣組織未見異常，經(jīng)能譜分析顯示折疊兩側(cè)有氧化皮，如圖14-66所示。

圖14-63裂紋起源處微觀形貌                 圖14-64裂紋中心區(qū)域微觀形貌

                圖14-65裂紋終斷處微觀形貌                

圖14-66 斷裂試樣表面缺陷

批件檢查，取同批件后先目視檢查，發(fā)現(xiàn)螺栓外表面沿軸線方向存在有疤痕、折疊缺陷，如圖14-67所示。

從螺栓條痕缺陷處縱向切開制成金相試樣，掃描電鏡和顯微鏡觀察， 在疤痕、折疊缺陷上發(fā)現(xiàn)有裂紋，其深度接近0.4mm，如圖14-68所示。

        圖14-67 同批螺栓表面缺陷              圖14-68 同批螺栓表面缺陷

頭部圓角尺寸檢測，取同批螺栓沿螺栓中軸線切開，檢測螺栓頭部圓角尺寸，發(fā)現(xiàn)圓角過度不均勻，部分位置圓角半徑不到0.5mm，小于廠家設(shè)計的最小值0.6mm，見圖14-69。

圖14-69 同批螺栓頭下圓角半徑

斷裂件金相組織為回火索氏體。

對螺栓的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果，符合《JIS G4053-2003》標(biāo)準(zhǔn)對SCM435鋼的要求。

對斷裂件硬度檢測，從試樣裂紋源附近表面和心部進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果，表面和心部硬度值為395～405 HV0.3，

分析與討論

該批螺栓材料、組織、硬度符合技術(shù)要求，螺栓斷裂與材料、組織、硬度無關(guān)。

螺栓頭桿連接處的圓角半徑R小，與螺栓成型工藝不當(dāng)有關(guān)。

斷裂螺栓在裂紋源附近表面有較多條痕、折疊缺陷，折疊從表面與螺栓軸向呈一定角度向內(nèi)部延伸，折疊兩側(cè)有氧化皮，。

同批件檢查，螺栓的外表面存在有疤痕、條痕缺陷， 在疤痕、折疊缺陷上發(fā)現(xiàn)有0.4mm深度的裂紋。

斷裂件頭桿連接處應(yīng)力集中，應(yīng)力集中區(qū)表面存在折疊缺陷，頭桿連接處的R過小，在安裝拉應(yīng)力作用下，折疊擴(kuò)展最后斷裂。

該螺栓為高強(qiáng)度螺栓，安裝應(yīng)力大，安裝后螺栓受拉應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力作用， 螺栓頭桿連接處為應(yīng)力集中的地方，表面存在較多的缺陷和橫向小裂紋，在安裝應(yīng)力作用下, 裂紋不斷擴(kuò)展，使螺栓在頭桿連接處應(yīng)力斷裂。

  結(jié)論與啟示

（1）由于螺栓成型工藝不當(dāng)，使螺栓頭桿連接處的R小，造成應(yīng)力集中；螺栓頭桿連接處表面存在橫向折疊缺陷，在安裝應(yīng)力作用下折疊缺陷不斷擴(kuò)展，最后應(yīng)力斷裂。

（2）該批螺栓頭桿連接處表面都存在較多缺陷，建議不要使用；已使用的應(yīng)馬上更換。

（3） 螺栓采用合適的成型工藝，防止螺栓頭桿處的圓角半徑R過小，還要防止螺栓頭桿處因變形不當(dāng)，表面產(chǎn)生缺陷。