淺析螺釘斷裂失效原因與螺釘性能等級關(guān)系

段美姣 鄧智 張成成 張帥 尹粵卿

（格力電器（合肥）有限公司 安徽合肥 230000）

淺析螺釘斷裂失效原因與螺釘性能等級關(guān)系

段美姣 鄧智 張成成 張帥 尹粵卿

（格力電器（合肥）有限公司 安徽合肥 230000）

SWRCH22A盤條生產(chǎn)的十字盤頭螺釘在實(shí)際生產(chǎn)時(shí)發(fā)生斷裂失效，通過對螺釘進(jìn)行成分測定、機(jī)械性能測試、強(qiáng)度校核，得出造成螺釘斷裂的主要原因?yàn)槁葆斶x型不合理，螺釘實(shí)際受力超出安全許用應(yīng)力值使得螺釘屈服斷裂。因此從生產(chǎn)、結(jié)構(gòu)和使用等方面提出了改善建議。

螺釘；斷裂；強(qiáng)度理論

1 引言

風(fēng)管機(jī)掛鉤螺釘組合件固定后，靜置2小時(shí)，出現(xiàn)斷裂失效現(xiàn)象。該螺釘是由SWRCH22A熱軋盤條（φ6.5）加工而成，規(guī)格為M4，性能等級為4.8級。螺釘加工工藝過程為：熱軋盤條—粗拉—球化退火—精拉—墩頭—搓絲—表面滲碳—淬火—回火—鍍鋅—成品檢測和入庫。

2 斷口形貌

在顯微鏡下觀察斷口形貌（見圖1和圖2），發(fā)現(xiàn)斷口平整、斷口處呈材料本色，取斷裂部分制作試樣，觀察其內(nèi)部顯微組織（見圖3），為鐵素體，未見裂紋和夾雜等缺陷。

3 理化檢驗(yàn)

3.1 材料成分分析

取同批次完整螺釘，使用六次甲基四胺和鹽酸混合溶液去除螺釘表面鍍鋅層，用直讀光譜儀測量螺釘材料成分，結(jié)果見表1。

測試結(jié)果符合要求。

3.2 顯微維氏硬度測定

在斷裂螺釘中，取出螺桿部分，經(jīng)打磨、拋光后使用顯微維氏硬度計(jì)（采用9.8N載荷）進(jìn)行測量芯部硬度值，結(jié)果見表2。

芯部硬度偏大，中間脆性會(huì)變大，韌性降低。芯部硬度偏高與廠家滲碳和熱處理工藝有關(guān)，同時(shí)與螺釘性能等級、設(shè)計(jì)選型有關(guān)。

3.3 螺釘破壞力矩

取同一批次的完整螺釘進(jìn)行破壞力矩的測試，結(jié)果見表3。

測試結(jié)果符合要求。

3.4 氫脆實(shí)驗(yàn)

用燒杯盛取適量的液體石蠟，置燒杯于鐵架

臺(tái)石棉網(wǎng)上，點(diǎn)燃酒精燈加熱石蠟，用測溫計(jì)測量石蠟，使溫度保持在100℃～190℃，在此溫度停留5min以除去其所含水分，然后將螺釘放入石蠟中（石蠟將螺釘全部浸沒），大約10s左右觀察螺釘邊緣氣泡情況。無氣泡冒出代表去氫完全。

圖1 40X斷口形貌

圖2 100X斷口

試驗(yàn)未發(fā)現(xiàn)起泡出現(xiàn)，試驗(yàn)合格。

3.5 滲碳層深度測量

取斷裂螺釘，經(jīng)鑲樣、打磨和拋光，使用濃度為4%的硝酸乙醇溶液進(jìn)行腐蝕后，在顯微鏡進(jìn)行觀察，用金相分析系統(tǒng)進(jìn)行測量，實(shí)際測量為0.109-0.182mm（見圖4），要求滲碳層深度為0.10-0.25mm，實(shí)驗(yàn)結(jié)果符合要求。

從以上實(shí)驗(yàn)測試結(jié)果，排除了氫脆延遲斷和微量元素等不合格的影響。為找出原因，現(xiàn)對材料進(jìn)行強(qiáng)度校核。

4 強(qiáng)度理論分析

強(qiáng)度是指材料承受荷載的能力或抵抗破壞的能力。通常認(rèn)為當(dāng)承受的荷載達(dá)到一定大小時(shí)，其材料就會(huì)在應(yīng)力狀態(tài)最危險(xiǎn)的一點(diǎn)處首先發(fā)生破壞。強(qiáng)度理論用于判斷材料在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下是否破壞。圖5為本研究的螺釘組合件圖紙，圖中1為組合件用平墊圈，2為彈簧墊圈，3為M4X16螺釘。

4.1 強(qiáng)度校核一

螺旋副在力矩T和軸向載荷作用下的相對運(yùn)動(dòng)，可簡化成在中徑上水平力F推動(dòng)滑塊沿螺紋運(yùn)動(dòng)，將螺紋沿中徑展開可得一個(gè)斜面，螺釘擰緊時(shí)沿螺紋上升相當(dāng)于滑塊沿斜面向上運(yùn)動(dòng)（見圖6）。

當(dāng)擰緊螺釘時(shí)，F(xiàn)a為阻力，F(xiàn)為驅(qū)動(dòng)力，F(xiàn)R為發(fā)向力矩和摩擦力fFn合成力。

作用在螺旋副上相應(yīng)驅(qū)動(dòng)力矩（擰緊力矩）:

式中：

d1—螺紋小徑，mm；

d2—螺紋中徑，mm；

n—紋的螺旋線數(shù)；

t—螺距，mm；

f—滑動(dòng)螺旋副的摩擦系數(shù)；

β—牙型斜角。

螺釘在安裝時(shí)承受軸向拉力Fa和扭矩T的作用，危險(xiǎn)剖面上既有拉伸應(yīng)力又有剪切應(yīng)力。因此，根據(jù)第四強(qiáng)度理論[1]計(jì)算應(yīng)力值：

式中：

σe—材料的實(shí)際應(yīng)力，MPa；σ—拉伸應(yīng)力，MPa；τ—剪切應(yīng)力，MPa；Fa—軸向拉力，N；T—扭矩，N?m；A—螺釘螺紋段的危險(xiǎn)截面積，,mm2；

WT—螺釘螺紋段的危險(xiǎn)截面抗扭模量，

圖3 顯微組織形貌

圖4 滲碳層深度

圖5 螺釘組合件圖

圖6 螺紋處的受力分析

此螺釘連接類型中常取摩擦系數(shù)f=0.10；由GB/T 196-2003[2]查得螺旋線數(shù)n=1，螺距t=0.70mm，牙型斜角β=30°，小徑d1=3.242mm，中徑d2=3.545mm。

該螺釘性能等級為4.8級，查表[3]得抗拉強(qiáng)度σb為400MPa，屈服強(qiáng)度σS為320MPa，取安全系數(shù)為1.5，則許用應(yīng)力[σ]為213MPa。實(shí)際生產(chǎn)中使用扭矩為1.7N?m。代入數(shù)據(jù)計(jì)算，實(shí)際應(yīng)力值為336MPa大于許用應(yīng)力，因此材料強(qiáng)度偏小。

4.2 強(qiáng)度校核二

考慮螺釘打緊時(shí)與支承面摩擦力的影響，于是利用第四強(qiáng)度理論進(jìn)一步進(jìn)行分析。

螺釘螺紋M4×16mm，小徑d1=3.242mm，中徑d2=3.545mm，外徑d3=4mm，螺距t=0.7mm，擰緊時(shí)無潤滑，螺紋中的摩擦系數(shù)fp=0.1，支承面外徑D=9mm，內(nèi)徑d0=4.9mm，支承端面上的摩擦因數(shù)fT=0.15。

（1）預(yù)緊力F

螺釘螺紋處的扭矩：

螺釘支承面處的摩擦力矩：

因預(yù)緊扭矩M=MT+MP=1.7×103N?mm，故

（2）拉應(yīng)力σ1，σ2

作用在螺釘上的總拉力F =2.62×103N；

螺紋部分拉應(yīng)力σ1=F/A1=317.6MPa；

光桿部分拉應(yīng)力σ2=F/A2=272.5 MPa；

其中A1為螺釘截面積，A1=8.25mm2，A2為光桿部分截面積，A2=9.62mm2。

（3）切應(yīng)力τ1，τ2

（4）預(yù)緊應(yīng)力σ0，τ0

螺釘擰緊應(yīng)力，由GB/T 16823.1-1997[4]，查表得AS=8.78mm2，則WT=7.48mm3。

（5）擰緊時(shí)螺紋部分實(shí)際應(yīng)力

5 分析與討論

此機(jī)械螺釘是低碳鋼冷鐓成型后經(jīng)過表面滲碳處理得到的，這樣螺釘表面硬度高，芯部韌性良好，保證它的穿透力。螺釘斷裂失效一般存在以下原因：氫脆斷裂，強(qiáng)度不夠，淬火裂紋和過渡滲碳等。通過對螺釘進(jìn)行斷口形貌觀察，實(shí)驗(yàn)分析和強(qiáng)度校核，結(jié)果表明螺釘斷裂失效與過渡滲碳和氫脆裂紋無關(guān)，內(nèi)部顯微組織完好（見圖3），未見裂紋。因此螺釘強(qiáng)度不夠是主要的影響因素，其作用機(jī)理如下：螺釘在安裝時(shí)承受軸向拉力和扭矩的作用，危險(xiǎn)剖面上既有拉伸應(yīng)力又有剪切應(yīng)力。螺釘實(shí)際受力超出安全許用應(yīng)力值使得螺釘屈服斷裂。

因此螺釘?shù)脑O(shè)計(jì)和使用應(yīng)考慮實(shí)際使用情況，保證其強(qiáng)度滿足工作需要。

表1 材料成分分析結(jié)果（%）

表2 顯微硬度測試值

表3 破壞力矩測試值

6 結(jié)論及建議

（1）風(fēng)管機(jī)掛鉤安裝螺釘斷裂主要原因是材料強(qiáng)度不夠，螺釘設(shè)計(jì)選型存在問題。

（2）為增加螺釘?shù)膹?qiáng)度，防止生產(chǎn)過程斷裂，提出以下建議：①生產(chǎn)廠家需提高螺釘熱處理工藝的穩(wěn)定性，保證芯部硬度在合格范圍，提高自身性能等級的安全系數(shù)；②使用性能等級更高的材料生產(chǎn)螺釘，建議起承重作用的緊固螺釘選用8.8級以上螺釘，增強(qiáng)自身韌性及破壞扭矩；③優(yōu)化工藝結(jié)構(gòu)，減小裝配后剪切力對螺釘?shù)挠绊懀褂煤线m的力矩值進(jìn)行固定。

[1] 東北大學(xué)、北京科技大學(xué)編《材料力學(xué)》第4版, 高等教育出版社, 2008.

[2] GB/T 196- 2003《普通螺紋基本尺寸》[S] .

[3] GB/T 3098.1-2000《緊固件機(jī)械性能 螺釘、螺栓和螺柱》.

[4] GB/T 16823.1-1997《螺紋緊固件應(yīng)力截面積和承載面積》.

[5] 汪文翰, 何毅. SWRCH22A十字頭螺釘斷裂失效分析[B], 理化檢驗(yàn)-物理分冊, 1001-4012(2011)11-0713-04.

Analyzing the relationship of screw fracture reasons and screw performance hierarchy

DUAN Meijiao DENG Zhi ZHANG Chengcheng ZHANG Shuai YIN Yueqin
（Gree Electric Appliances, inc.of Hefei Hefei 230000）

Crossed screws made of SWRCH22A wire rod were fractured in the actual production. By determining the material composition of screw, testing mechanical performance and checking the intensity, the results show that screw type selection was not reasonable, which was the main reason for the fracture. The actual stress was greater than the allowable stress values, so screws fractured. We give some improvement measures based on considering the production, structure and use of screws.

Screws; Fracture; Strength theory