螺栓轴向疲劳分享

fangqingfeng123

上传一只螺栓轴向疲劳分享
材料：40Cr
热处理：调质
硬度：32-39
构件：螺栓M20*1.5   总长240mm
描述:汽车中桥外置挂件锁紧螺栓,整车运行5446公里,螺栓失效断裂,悬置构件脱落敲击并压迫刹车油缸，以致油缸爆裂；

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不知何故，无法一次操作图片

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fangqingfeng123 发表于 2012-11-22 20:27
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fangqingfeng123 发表于 2012-11-22 20:37
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　一、检验与试验
　　　A.性能:
　　　　1)硬度:HRC32-39;实测35~36 HRC;符合技术要求;
　　　　2)抗拉强度:符合技术要求;
　　　B.材料:
      1)酸蚀试验:符合标准要求;
      2)氢脆试验:微量气泡逸出;
　　　C.金相组织: S1-3级;
　　　　1)横截面表层组织回火S,1级;
　　　　2)横截面心部组织,回火S,1级;符合标准要求;
　
　二、宏观观察:
A.螺纹:
　　圆周1/2 区域内螺纹均缺失,上有轴向来回移动拖拽迹象,残留螺纹的大径均呈双向    倾倒、外翻,形成“Ω”或“T”形,且在倾倒螺纹面上留下较多平行于轴向的沟槽, 其“Ω”或“T”与螺纹轴向垂直,闪闪发亮,迹象明显;而另1/2区域螺纹完好无损,除大径尖锐度稍有减少且少许擦亮外,其它部分完好如新,锌层保持良好,无嗑碰痕迹,螺纹大径约φ19.88mm;(见图2、图5和附图)
B.杆身:
　　在螺杆的正中央发现一等腰三角形(19mm腰高×15mm边长×0.15mm深)区域,三角形的腰高与杆部轴线平行,并且三角形‘一边’与杆部有明显界限层,呈现出垂直形态,且表面光亮度较高,有明显擦亮磨光迹象;三角形的其它部分多呈麻坑状,外来物填充呈暗黑色;另杆部呈切应力状态弯曲,弯曲幅度约3mm(单边),略呈‘⌒’状弧形,‘⌒’的凸起面与螺纹损坏面处在同一直线面上,三角形擦亮区处在直线面的侧面(翻转90°),杆部直径约19.74mm; (见图2、图3、图5和附图)
C.螺母:
　　螺母端面多有填充物,“S”标志裸露其外,清晰明亮;杂物清理后,有少量弧形擦伤痕迹,锌层未有缺失脱落情况,无杂色;(见图5、图6)
　D.断面:
　　1)表面:构件断裂位置起源于六角头根部“R”弧形与端面接壤的一方;附近未见有明显塑性变形、拉长延伸痕迹,宏观面与杆身垂直,周向表面有多条台阶状条纹,深浅不一,由表面向心部聚拢、延伸并逐渐淡化、消失,均指同向;
　　2)中心:断面中央大面积区域,其面整齐平滑,颜色发亮、反光,细腻而光洁,呈现结晶状,正面若隐若现见若干条纹平行排列,较细小而狭长,纹路整齐、规律,大部分平直而尾部稍有弧性弯曲,均由一侧表面迁移而至,明显程度不强,背光转动下消失不现;
3)一侧:表面的一侧,亦是台阶状条纹相对面,见一月牙形残区,以大角度方向突变,与杆身约呈45°倾角,其尺寸约2.5mm高×15mm宽,与圆断面周圆相切,颜色稍暗,略粗糙,有撕裂痕迹,整个月牙区域面积占断面总量较少,约5%;
　三、结论:
　　由以上信息综合,构件属高周低载疲劳早期失效断裂,为多裂源,应力集中,有冲击应力和单向弯曲下的脆性断裂;
　　 高周低载是一种低应力水平并且在材料弹性范围以内发生的早期断裂失效模式,其应力水平低于屈服强度以下,在载荷较小和应力均匀下产生的,其疲劳寿命较长,是一种突然情况下断裂的低应力水平脆性断裂失效,其断裂部位不发生收缩变形;疲劳载荷对其的影响主要起决于材料、工件大小、尺寸、表面质量及使用环境;
　 四、原因:
　　　　1)螺栓锁压不佳或锁紧螺母锁紧扭力不均;
　　　　2)A构件偏向;
　五、分析:
　　螺栓装配过程中,由于是和自锁螺母配合,其螺母的自锁扭力和螺栓螺纹的各项尺寸均影响装配结果,扭装时未必能达到设定的扭矩标准值,而螺栓的装配位置上并不一定是起着单一的联接作用,可能还兼备另一项功能——轴销的定位与悬挂,因此作附图如下并分析:
　　因螺栓在A、B组合中的位置并不是起单一的联接作用,而还兼备另一项功能——轴销的定位与悬挂作用,通过螺栓A和B连接成一体;而构件总装后,在后续运作时,A和B相互作用,相对运动,A通过螺栓向B输出一种顶置、挤压、拖拽作用力,而螺栓则承受着垂直于轴向切应力,这股切应力最后转换为轴向的拉伸应力,且随拉伸力载的变换是发生变化的;
　　(1)当A和B作用时,螺杆承受载荷发生弯曲,其两端上扬或下垂,轴线也发生弯曲,当轴线中心下落时,六角头与螺纹面均向上翘,而与原位形成了一个空间夹角,由于这个夹角的形成,造成B孔侧端面与螺栓六角头端垫片不贴合 (B孔侧端面与六角头正常时贴合),也形成了一个微小的夹角,而这个夹角的产生,使六角头垫片单边磨擦、偏心着力承载,使其在承受的固定夹紧力矩外同时叠加因螺杆弯曲而产生额外应力,并且随着弯曲载荷的波动发生变化;由于A、B的相互作用对螺栓设计值而言,其产生轴向拉力载荷并不大,且均处在材料弹性范围之内,所以在A、B反复作用力下,螺栓弯曲变形在弹性机理的作用下复位,恢复原貌;
　　(2)当A、B作用时,螺纹区外圆受挤压向B孔内圆一侧偏移、靠拢,由于螺纹大径和光杆外径尺寸相当,A、B配合时,一部分螺纹长度进入B孔中套合,形成了工作面,当受A、B反复运动力时,螺杆因反复弯曲、复位从而转换成螺纹轴向往复运动,以致于其螺纹工作面进行轴向小位移来回蠕动或窜动,在长期稳定的蠕动和窜动作用下,牙尖挤压、磨光发生变形,最终形成“Ω”或“T”形状;
　　(3)当A、B上下平面作用时,其A的侧面也向螺杆施加着另一附加载荷,为A、B上下作用时,A同时向螺杆摆动产生的左右运动,其并不进行左右来回,而是以单一的左或右偏向移动形成挤压、敲击区,其夹杂在A、B上下平面运动区间形成了应力附加,在连续交替的周期下,螺杆发生反复弹性变形,在应力集中的六角头处形成疲劳断裂,螺纹面处发生挤压磨光损坏,杆部因是应力的助力点及始发点,在疲劳裂纹的扩展过程中发生弯曲,侧面挤压、敲击区形成了大面积擦伤磨光破坏;
　六、总结:
轴向主应力+侧面附加应力作用下形成的疲劳断裂;

紫琅人

哦感谢楼主分享的材料分析报告评判。受教了，也是第一次看到这样的分析报告啊