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SCM435鋼是一種典型的中碳低合金冷鐓鋼，其碳、鉻、鉬元素的含量較高，淬透性良好，該鋼經(jīng)過調(diào)質(zhì)后可以獲得較高的抗疲勞強度、抗沖擊性能和低溫韌性，綜合性能優(yōu)良，主要用于生產(chǎn)10.9，12.9級的高強度緊固件，廣泛應(yīng)用于汽車制造、軌道交通、工程機械和風力發(fā)電等領(lǐng)域。搖臂螺栓是發(fā)動機的重要零部件之一，工作時需要承受較大的拉力、扭力和交變應(yīng)力。某公司采購了一批SCM435鋼六角法蘭螺栓，用于固定汽車發(fā)動機搖臂，當運行約11.3萬km時，發(fā)動機出現(xiàn)嚴重異響，經(jīng)過排查，發(fā)現(xiàn)搖臂螺栓斷裂導致運行過程中發(fā)動機氣閥室罩蓋損壞。該搖臂螺栓的具體加工過程為：直徑為12mm的母材→兩球兩拉至直徑9.7 mm→冷鐓→機械加工→搓絲→熱處理→發(fā)黑等。

研究人員采用宏觀觀察、化學成分分析、金相檢驗、硬度測試、掃描電鏡（SEM）分析等方法對螺栓斷裂原因進行分析，以防止該類問題再次發(fā)生。

01理化檢驗

1.1 宏觀觀察

斷裂搖臂螺栓和斷口宏觀形貌如圖1 所示。將螺栓線切割后，在斷口處縱剖并冷鑲嵌。由圖1可知：螺栓螺桿處斷裂為兩段，斷裂處位于第5螺紋牙和第6螺紋牙之間。

采用超聲波乙醇溶液清洗試樣后，在體視顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：斷口呈彎曲疲勞斷裂特征，疲勞源位于螺紋牙根部，斷口呈銀亮色[見圖2a)]；法蘭支撐面存在環(huán)形分布的小臺階，約占整個圓周的3/5，小臺階處呈銀亮色[ 見圖2b)]。

1.2 化學成分分析

在螺栓上截取試樣，根據(jù)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼　多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法( 常規(guī)法)》對試樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：試樣的化學成分符合產(chǎn)品要求。

1.3 金相檢驗

將斷裂螺栓分為兩半，分別標記為1，2號螺栓，在1號斷裂螺栓上截取并制備金相試樣，將試樣磨制、拋光后，用體積分數(shù)為4% 的硝酸乙醇溶液腐蝕試樣，再將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：腐蝕前，斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷，腐蝕后，疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象，斷口處、螺紋牙處和基體的組織均為回火索氏體。

將垂直于斷口將另一半斷裂螺栓（2號螺栓）制備成金相試樣，將試樣進行冷鑲嵌、磨制、拋光后置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷[ 見圖4a)]；疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象[ 見圖4b)]；整個試樣組織正常，均為回火索氏體。

在斷裂螺栓法蘭上沿虛線縱向截取試樣 （見圖5），將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6a)~6b) 所示。法蘭支撐面一側(cè)存在約高度為0.02mm的臺階，另一側(cè)平整無臺階。用體積分數(shù)為4%的硝酸溶液腐蝕試樣，將試樣置于光學顯微鏡下觀察，結(jié)果如圖6c)~6e) 所示。法蘭支撐面臺階處存在明顯的磨損變質(zhì)層，平整處組織正常，螺栓平整處和法蘭處組織均為回火索氏體。

1.4 硬度測試

用維氏硬度計對試樣進行硬度測試，載荷為4.9N，保持時間為15s，分別在斷口斷裂源處、斷裂源螺紋牙處、遠離斷裂源螺紋牙處和心部進行硬度測試，每處測量3個點，測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：材料硬度滿足用戶使用要求(380~ 420HV)。

1.5 掃描電鏡分析

用超聲波溶液清洗試樣斷口，干燥后將試樣置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：疲勞源區(qū)呈條狀疲勞紋形貌特征，擴展區(qū)及瞬斷區(qū)斷口呈韌窩形貌，為微孔聚集型斷裂機制。

02綜合分析

斷裂螺栓的化學成分和不同位置的硬度均符合產(chǎn)品要求，斷口處未發(fā)現(xiàn)氣孔及異常非金屬夾雜物等冶金缺陷。疲勞源處的螺紋牙無脫碳現(xiàn)象，整個試樣組織正常，為回火索氏體，說明母材質(zhì)量和熱處理工藝都不存在問題，但是法蘭支撐面一側(cè)存在約高度為0.02mm的臺階，且臺階處存在和其他位置明顯不同的磨損變質(zhì)層，同時試樣斷口經(jīng)超聲波溶液清洗后呈銀亮色，疲勞源區(qū)呈條狀疲勞紋形貌，擴展區(qū)及瞬斷區(qū)呈韌窩形貌特征，這表明螺栓在使用過程中極有可能存在偏載現(xiàn)象，進而導致螺栓疲勞斷裂。

正常情況下，螺栓應(yīng)承受拉伸應(yīng)力或剪切應(yīng)力，但是若螺栓在使用過程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，就會承受異常的彎曲應(yīng)力，當螺栓所承受的彎曲應(yīng)力超過螺紋牙根部材料的彎曲疲勞強度時，就會產(chǎn)生疲勞裂紋，疲勞裂紋進一步擴展導致螺栓斷裂。因此，應(yīng)根據(jù)螺栓的實際裝配情況、使用工況及相關(guān)零件狀況確定異常彎曲應(yīng)力的來源。綜合考慮，該螺栓斷裂的原因是螺栓在使用過程中出現(xiàn)偏載現(xiàn)象，導致螺栓承受了超出其疲勞強度的異常彎曲應(yīng)力。

03結(jié)論及建議

（1）螺栓的化學成分和硬度等均滿足產(chǎn)品要求，顯微組織無異常，材料品質(zhì)合格。

（2）在螺栓使用過程中，由偏載產(chǎn)生的異常彎曲應(yīng)力超出螺栓疲勞強度是導致螺栓斷裂的根本原因。

（3）建議采用提高裝配精度、零件質(zhì)量和表面潔凈度等方法來防止螺栓偏載。

作者：呂金嶧，王勤，李亞洲，賈川，郭明儀

單位：濟源鋼鐵(集團)有限公司