汽車后制動油管螺栓失效分析

夏慶華

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

后制動油管螺栓是汽車制動系統(tǒng)中的一個重要零件，是用于將制動總泵的制動液傳遞給處于活動懸架組件的制動分泵進(jìn)行剎車的；后制動油管螺栓出現(xiàn)裂紋甚至斷裂，則會泄漏制動液，使得汽車無法產(chǎn)生制動動作，使汽車處于危險之中，因此，后制動油管螺栓在汽車中是非常重要的。后制動油管螺栓的加工過程為：球化退火→酸洗磷皂化→改拔→下料→絲坯→調(diào)質(zhì)處理→磷化→包裝入庫；后制動油管螺栓與后制動卡鉗的位置，如圖1所示。

圖1　后制動油管螺栓

某種型號的汽車在裝配后制動油管螺栓時，發(fā)生斷裂，為尋找斷裂原因，采用了多種方法，找到了斷裂的原因，并提出改進(jìn)意見。

斷裂過程：某廠在裝配汽車后制動油管螺栓時，按照裝配工藝的要求，裝配扭矩是42 N·m、在實(shí)際上扭矩約為40 N·m時，發(fā)生后制動油管螺栓斷裂，該螺栓的螺紋是M10×1，強(qiáng)度為8.8級。

后制動油管螺栓的安裝過程是：在制動卡鉗安裝面上放好墊片→放好油管→再放墊片→放油管螺栓→定制扭矩扳手42 N·m、手工扭緊，在上扭矩過程中斷裂。

1　試驗(yàn)及檢驗(yàn)

1.1　宏觀分析

斷裂的后制動油管螺栓如圖2所示，圖3為完好的后制動油管螺栓，經(jīng)對比兩個螺栓，發(fā)現(xiàn)：

（1）后制動油管螺栓的斷裂處扭曲變形嚴(yán)重，原來圓形的油孔變成了橢圓形且與軸線傾斜了一個角度，如圖2的箭頭3、4所示。

（2）在螺栓油孔處，還出現(xiàn)了頸縮現(xiàn)象，頸縮是由于材料塑性變形引起的宏觀變形，當(dāng)載荷達(dá)到最大值后，試樣的某一局部發(fā)生顯著收縮的現(xiàn)象，縮頸出現(xiàn)后，零件繼續(xù)變形所需之力減小，應(yīng)力-應(yīng)變曲線相應(yīng)呈現(xiàn)下降，最后導(dǎo)致零件在縮頸處斷裂。該螺栓頸縮處的尺寸為Φ8.6；圖紙標(biāo)注該尺寸應(yīng)為Φ9.2；頸縮現(xiàn)象是材料塑性斷裂的主要特征，如圖2的箭頭2所指處。

（3）墊片變形嚴(yán)重，未裝配的墊片，厚度為1.6 mm，斷裂件上的墊片，厚度為0.88 mm，被壓縮了0.72 mm，約被壓縮了一半，說明螺栓所受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力較大，如圖2的箭頭5所指處。

螺栓的斷口形貌如圖4所示，裂紋起源于斷裂面的外圓周、也是螺紋的根部，該處為應(yīng)力集中處，即圖5中的A處，它是在三向應(yīng)力作用下，裂紋作緩慢擴(kuò)展形成的，即裂紋的起始區(qū)；螺栓在旋轉(zhuǎn)應(yīng)力的作用下，裂紋呈螺旋狀擴(kuò)展，如圖5中的B處箭頭所指方向，該處是裂紋的快速擴(kuò)展區(qū)，從圖中可以看到裂紋快速擴(kuò)展留下的紋路；裂紋擴(kuò)展到C處時，此時螺栓的剩余截面較小，在外應(yīng)力的作用下，此區(qū)瞬間斷裂，該處與裂紋擴(kuò)展區(qū)呈45°角，為剪切唇是最后斷裂區(qū)，從螺栓斷口的裂紋起始區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)、剪切唇三階段的特征看，其特征與宏觀塑性斷裂的三階段相類似，且其外觀具有明顯的塑性變形、縮頸等現(xiàn)象，這些都是塑性斷裂的特征[1]，因此，該螺栓的斷裂具有旋轉(zhuǎn)、塑性斷裂特征。

圖2　斷裂的后制動油管螺栓

圖3　完好的后制動油管螺栓

圖4　螺栓的斷口

圖5　螺栓的斷裂面

隨后又有一顆后制動油管螺栓斷裂，其斷裂位置、斷口形貌、斷裂特征均與上一顆相似，如圖6、7所示。

圖6　第二顆斷裂的螺栓

圖7　第二顆斷螺栓的斷口

1.2　強(qiáng)度計算

螺栓強(qiáng)度的計算：螺栓力學(xué)性能，按照GB/T3098.1-2010的規(guī)定，M10×1、強(qiáng)度為8.8級的螺栓的抗拉強(qiáng)度Rm為800 MPa；最小拉力載荷≥51 600 N；

該螺栓的螺紋公稱應(yīng)力截面積As，公稱為64.5 mm2；抗拉強(qiáng)度Rm為800 MPa.

其最小拉力載荷Fm=As，公稱×Rm=64.5×800=51 600 N.

經(jīng)過計算，螺栓桿部的橫截面的面積 As桿部=66.44 mm2，螺栓斷裂面有一個橫孔，因橫孔的存在，減少了該部位的有效受力面積，實(shí)際上螺栓斷裂面的有效面積As，有效=35.9 mm2；其能承受的最小拉力載荷 Fm=As，有效× Rm=35.9× 800=28 720 N，遠(yuǎn)低于國家標(biāo)準(zhǔn)的、實(shí)心螺栓的標(biāo)準(zhǔn)要求值。

施加給螺栓的扭矩和螺栓受到的軸向力計算較為復(fù)雜，現(xiàn)有一種簡單的公式：T=KFd，其中：K為扭矩系數(shù)，一般取0.2，F(xiàn)為軸向力，d為螺栓公稱直經(jīng)。

利用上式計算M10×1螺栓的最小扭矩，T=0.2×51 600×10=103.2 N·m，即為實(shí)心部分螺栓的扭矩；

有橫孔處的最小扭矩T=0.2×28 720×6.76=38.83 N·m

而裝配時的扭矩為42 N·m，大于有橫孔處橫截面的最小扭矩值。

螺栓實(shí)際受到的扭矩，大于螺栓理論上能承受的扭矩，這是導(dǎo)致后制動油管螺栓斷裂的原因之一。

1.3　模擬失效模式

在生產(chǎn)現(xiàn)場，采用手動的形式模擬失效模式，用扭矩扳手扭動后制動油管螺栓、直至螺栓斷裂，這時，扭矩扳手?jǐn)?shù)值顯示為50 N·m，該值大于設(shè)定值，而螺栓斷裂位置、斷口形貌、斷裂特征均與前兩顆斷裂的螺栓相似，如圖8、9所示；墊片變形量為0.76，也與生產(chǎn)現(xiàn)場斷裂螺栓的墊片相似；模擬失效模式的扭矩值已大大超過了螺栓理論上能夠承受的扭矩值，而其斷裂模式與裝配現(xiàn)場的斷裂模式相同，說明生產(chǎn)現(xiàn)場斷裂的螺栓，也存在扭距值過大的可能。

圖8　模擬斷裂現(xiàn)場

圖9　模擬斷裂螺栓的斷口

1.4　力學(xué)性能

該螺栓圖紙要求，力學(xué)性能按照GB/T3098.1-2010，M10×1、強(qiáng)度 8.8 級的螺栓：硬度要求 HV250～320；最小拉力載荷≥51 600 N；使用北京鋼研納克生產(chǎn)的、型號為NCS的微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，對螺栓進(jìn)行力學(xué)試驗(yàn)，北京鋼研納克是GB/T228.1-2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn)》的編制單位。

從送檢的、沒有用過的螺栓中，選取外表較好的一件，進(jìn)行機(jī)械性能試驗(yàn)，當(dāng)試驗(yàn)力達(dá)到41 000 N時，發(fā)生斷裂，斷裂部位位于有橫孔處，如圖11所示，未能達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的51 600 N，其力學(xué)性能不合格。但是，GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓螺釘和螺柱》對M10×1、8.8級的螺栓的最小拉力載荷≥51 600 N的要求，是對實(shí)心螺栓的要求，而對于中間有橫孔、橫截面明顯變小了的螺栓，按照實(shí)心螺栓來要求不太合理；按照前述的強(qiáng)度計算，有橫孔處的最小拉力載荷為：Fm=As，有效× Rm=35.9 × 800=28 720 N，按照這樣的計算，螺栓橫孔處的最小拉力載荷是合格的。

拉力試驗(yàn)的斷裂件，其斷裂位置、斷口形貌與現(xiàn)場斷裂件大致相同，如圖10～13，其主要的差別在于：拉力試驗(yàn)的斷裂件，油孔未發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，但是在長度方向變長了，因?yàn)槔υ囼?yàn)是在軸線方向施加力，所以拉力試驗(yàn)的斷口是拉伸塑性斷口。

圖10　未使用過的、新螺栓

圖11　拉力試驗(yàn)斷裂件

圖12　拉力試驗(yàn)斷裂位置

圖13　拉力試驗(yàn)斷裂面

1.5　硬度試驗(yàn)

依據(jù)GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》對硬度的要求，在螺栓距離螺紋末端一倍之間處取一截面，磨平并用酒精去除表面的油脂后，在1/2半徑處測定維氏硬度；試驗(yàn)載荷為98 N，試驗(yàn)方法依據(jù)GB/T4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》，硬度試驗(yàn)結(jié)果如表1所列。

表1　螺栓硬度試驗(yàn)結(jié)果

斷裂的和新的螺栓，其硬度都符合國家標(biāo)準(zhǔn)的要求，螺栓的硬度按照GB/T3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》檢測、判定。

1.6　金相分析

使用德國徠卡公司生產(chǎn)的、型號為：DMI3000金相顯微鏡，在斷裂螺栓裂紋源的側(cè)面、新螺栓的螺紋端頭分別進(jìn)行金相試驗(yàn)，其結(jié)果如表2所列。

表2　金相試驗(yàn)

斷裂件無非金屬夾雜物，說明鋼材質(zhì)量好；螺栓的金相組織是根據(jù)GB/T 3098.1-2010對8.8級螺栓的熱處理要求而定的，各螺栓的金相組織均符合標(biāo)準(zhǔn)的要求，說明螺栓的熱處理狀態(tài)良好。

非金屬夾雜物的評定標(biāo)準(zhǔn)是GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》；螺栓的熱處理要求按照GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》，金相組織的評定標(biāo)準(zhǔn)是GB/T13320-2007《鋼質(zhì)模鍛件金相組織評級圖及評定方法》。

1.7　化學(xué)成分

后制動油管螺栓的化學(xué)成分按照GB/T 3098.1-2010的要求進(jìn)行檢定，使用德國BRUKER公司生產(chǎn)的、型號為Q4的直讀光譜儀，對螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果表3所列。

表3　化學(xué)成分

斷裂的和新的后制動油管螺栓的化學(xué)成分，均符合GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》對8.8級螺栓的要求。

2　分析與討論

斷裂的和新的后制動油管螺栓的化學(xué)成分、硬度、金相組織合格；但是新的后制動油管螺栓、最小拉力載荷不合格，原因?yàn)椋汉笾苿佑凸苈菟〝嗔烟幈患庸ち艘粋€橫孔，螺栓有效受力面積減少，其最小拉力載荷隨之降低，導(dǎo)致其力學(xué)性能不合格。從后制動油管螺栓的斷口看，具有旋轉(zhuǎn)、塑性斷口的特征，材料所受的力超過材料的屈服強(qiáng)度時，材料的變形不可回復(fù)，受力繼續(xù)進(jìn)行，零件發(fā)生縮頸，最后在縮頸處斷裂。材料發(fā)生塑性變形，是由于材料剛度不足造成的，如果材料的剛度足夠大，材料就不會屈服、也不會發(fā)生縮頸，更不會斷裂[2]。通過對后制動油管螺栓的強(qiáng)度計算，其理論上能夠承受的扭矩低于實(shí)際裝配中的扭矩，實(shí)際裝配過程中，螺栓能夠承受的扭矩值也只是其理論值，所以裝配設(shè)定的扭矩值超過了螺栓能夠承受的扭矩，導(dǎo)致其裝配時發(fā)生斷裂；同時按照失效模式進(jìn)行了模擬試驗(yàn)，斷裂時的扭矩值大于計算得到的扭矩值，而其斷口形態(tài)、斷裂模式與裝配現(xiàn)場的斷口形態(tài)、斷裂模式相同，說明裝配現(xiàn)場斷裂的螺栓，所受扭矩超過了其所能夠承受的扭矩。因此，可以認(rèn)為后制動油管螺栓的斷口是過載、旋轉(zhuǎn)、塑性斷口。

3　結(jié)論和建議

后制動油管螺栓斷裂，是由于其在被裝配時，受到了超過其所能夠承受的扭矩，造成的過載、旋轉(zhuǎn)、塑性斷裂。

為保證后制動油管螺栓的正確裝配及安全使用，建議提高后制動油管螺栓的剛度和強(qiáng)度。剛度是指材料在受力時抵抗彈性變形的能力（抵抗彈性變形）；材料的剛度除取決于組成材料的彈性模量外，還同其幾何形狀、邊界條件等因素以及外力的作用形式有關(guān)；對后制動油管螺栓來說，其形狀、受力面積已不可改變，那么能夠改變的就是彈性模量，即提高后制動油管螺栓的彈性模量，選擇一種彈性模量更高的材料。

強(qiáng)度是金屬材料在外力作用下抵抗永久變形和斷裂的能力，也就是說，強(qiáng)度是衡量零件本身承載能力（即抵抗失效能力）的重要指標(biāo)[3]。從前述的受力計算中，可以看到：零件的扭矩與材料的抗拉強(qiáng)度有關(guān)，提高材料的抗拉強(qiáng)度，可相應(yīng)地提高材料的扭矩，即選擇一種抗拉強(qiáng)度更高的材料，也可以提高后制動油管螺栓抵抗失效的能力。

建議：選擇一種彈性模量更高的、抗拉強(qiáng)度更高的材料來制作后制動油管螺栓。