30CrMnSiA钢螺栓断裂原因
2020-11-29
(北京星航机电装备有限公司, 北京100074)
螺栓连接是金属材料铆接、焊接之外的一种重要连接方式，具有操作简单、可拆卸等优点[1]，被广泛应用在航空、机械、交通、能源等行业[2-8]。由于30CrMnSiA钢在调质状态下具有较高的强度和足够的韧性，在航空行业被广泛应用于制造对接接头、轴、齿轮和螺栓等[9]。
某30CrMnSiA钢螺栓规格为M5 mm×16 mm，按照航空工业标准HB 1-130—2002《十字槽90°沉头螺栓》的技术要求制造。在采用该螺栓对某航空结构壁板进行连接装配时螺栓发生了断裂，现场使用的20件螺栓中有4件发生了断裂。为查明30CrMnSiA钢螺栓的断裂原因，笔者对断裂螺栓进行了检验和分析，便于采取相应措施避免类似失效事故再次发生。
1 理化检验
1.1 断口分析
图1 断裂螺栓断口的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fracture of fractured bolts：a) sample 1; b)sample 2
取两件断裂螺栓，分别编号为试样1，2，对断裂螺栓的断口进行观察，宏观形貌如图1所示，可见断裂位置均位于螺纹根部，断口较为平齐，成纤维状，有明显的塑性变形，瞬断区表面粗糙，断口为典型的扭断断口[10-11]。
采用扫描电镜(SEM)进一步对试样1，2的断口进行观察，可见断口均呈韧窝形貌，瞬断区均为等轴韧窝形貌，如图2所示。瞬断区以外的区域均为拉长的韧窝形貌，其韧窝具有明显的方向性，如图3所示。
图2 瞬断区的等轴韧窝SEM形貌Fig.2 SEM morphology of equiaxed dimples intransient fracture region
图3 瞬断区之外的拉长韧窝SEM形貌Fig.3 SEM morphology of elongated dimples outside thetransient fracture region
1.2 硬度测试
在试样1，2的断口上取点进行维氏硬度测试，结果如表1所示，可知试样1，2硬度的平均值分别为358，361 HV10，根据GB/T 1172—1999《黑色金属硬度及强度换算值》转换为强度可得螺栓材料的抗拉强度分别为1 164，1 174 MPa，进一步转换可得螺栓的破坏拉力分别为16 530，16 670 N。根据HB 1-130—2002的要求，螺栓材料的强度应在1 080～1 280 MPa，破坏拉力应不低于14 500 N，可见螺栓材料的强度和破坏拉力均符合制造标准的要求。
表1 螺栓维氏硬度测试结果Tab.1 Vickers hardness test results of bolts HV10
1.3 金相检验
在试样1,2的断口附近取样制备金相试样，采用光学显微镜对其显微组织进行观察，可见其显微组织均为正常的回火索氏体，试样1显微组织形貌如图4所示。将螺栓沿轴向剖开，对螺纹根部显微组织进行观察，可见螺纹根部无裂纹，为正常的滚制螺纹变形组织，螺纹表面也未发生脱碳，试样1螺纹根部显微组织形貌如图5所示。
图4 断裂螺栓试样1的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology of sample 1 of fractured bolt
图5 断裂螺栓试样1螺纹根部显微组织形貌Fig.5 Microstructure morphology of the root ofsample 1 of fractured bolt thread
2 分析与讨论
理化检验结果表明，断裂螺栓的强度和破坏拉力符合标准对30CrMnSiA钢的技术要求。螺栓的显微组织正常，螺纹根部无裂纹，为正常的滚制螺纹变形组织。
断口分析结果表明，螺栓断口较为平齐，成纤维状，有明显的塑性变形，瞬断区表面粗糙，断口呈典型的塑性材料扭转断裂形貌特征。整个断口均呈韧窝形貌，表明其断裂模式为韧性断裂。
对于塑性材料，在超过材料强度极限的扭转载荷作用下，其会在切应力作用下发生切断，形成的断口与材料的轴线垂直，且断口较为平齐，有回旋状塑性变形痕迹[12]。螺栓在装配过程中承受扭转应力载荷，螺栓材料在其制造标准条件下表现出明显的塑性变形，且其断口呈典型的塑性材料扭转断裂形貌特征，结合螺栓的强度、显微组织均符合制造标准要求，判断螺栓断裂是由于其在装配过程中承受的载荷过大而导致的过载扭转断裂。
在采用螺栓和螺母配合对构件进行装配紧固时，是采用扭转力矩将其拧紧，扭转使得螺栓因受力而发生微量变形，并因抵抗变形而产生轴向力，该轴向力起到紧固的作用。由于扭转在螺栓的螺纹根部形成了切应力，使得螺栓断裂所需的扭转力低于轴向拉伸时把螺栓拉断所需的拉力，约为轴向拉力的80%[10]，因此在装配紧固小尺寸螺栓、螺钉时，应防止施加的扭转载荷过大而导致其断裂。螺栓在装配过程中，两名操作工用套筒扳手各在一侧对螺栓和螺母分别拧紧，两人同时快速用力，这种装配方式难以控制施力大小，容易瞬时施加较大的扭转力，使得螺栓因过载而断裂。
3 结论及建议
螺栓断裂模式为韧性断裂，螺栓的材料不存在质量问题，是装配过程中工作人员操作不当，施加的扭转载荷过大导致螺栓因过载而断裂。
为避免因装配应力过大导致螺栓扭转断裂，需制定合适的装配工艺，并控制好装配扭力。建议两名操作工在装配时，一人不转动扳手，仅负责用扳手将螺母固定即可，另一人则负责用扭矩扳手将螺栓拧紧，且严格控制拧紧力矩使其不会导致螺栓过载。采取以上措施后，几乎没有发生过螺栓过载扭转断裂事故。
