卡箍螺栓螺帽組合件失效分析
委托方提供失效卡箍螺栓螺母組合件2組(螺母已脫落)，未安裝的完好件若干組，卡箍材質(zhì)為304不銹鋼，螺栓材質(zhì)為304Cu不銹鋼，規(guī)格為M6，螺母材質(zhì)為316L，是帶防松功能的施必牢螺母。組合件用于連接緊固汽車發(fā)動機渦輪增壓器和三元催化器，安裝扭矩為8 N-Ill，最高工作溫度為475℃。
據(jù)委托方反映，路試7萬km中途螺母脫落造成組合件失效，要求分析失效原因。
1 失效螺栓螺母組合件檢測
1．1 宏觀分析
圖1所示為組合件安裝位置示意圖。圖2為送檢試樣宏觀形貌，可見失效試樣表面帶有明顯的氧化色。圖3為失效螺栓宏觀形貌，可見螺栓已發(fā)生明顯的彎曲現(xiàn)象。圖4為1#和2#失效螺栓螺紋低倍形貌，可見多處螺紋出現(xiàn)較嚴重的損傷(箭頭所示)。圖5所示為模擬安裝示意圖。安裝后拆卸發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)輕微彎曲變形，如圖6所示。圖7為螺紋表面低倍形貌，可見牙紋出現(xiàn)輕微損傷。
1．3 橫向振動測試
對送撿螺栓進行橫向振動試驗，測試組合件的防松能力。 圖8a為第1種模擬試驗試樣安裝，模擬卡箍與法蘭配合良好，螺栓未發(fā)生彎曲變形時情況； 圖8b為第2種模擬試驗試樣安裝，增加一塊12°的斜墊．模擬當(dāng)卡箍法蘭配合不良時導(dǎo)致螺栓發(fā)生彎曲的情況、橫向振動試驗參數(shù)：試驗頻率為12．5 Hz，振幅為0．6mm，振動力為1．0 kN ，實驗結(jié)果見表2。2次模試驗結(jié)束時，試樣殘余軸力均趟過初始軸力的70％ ，但方案2(螺栓彎曲)預(yù)緊力下降幅度略大于方案1。
1．5 化學(xué)成分分析
采用直讀光譜法對失效螺拎進行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表4，化學(xué)成分符合EN 10269-1999 1[2]于304Cu鋼的要求。
2 綜合分析
送檢螺栓橫向振動試驗指標(biāo)，化學(xué)成分及螺母保載試驗指標(biāo)均未發(fā)現(xiàn)明顯異常。失效螺栓宏觀形貌顯示出明顯彎曲，同時多處螺紋出現(xiàn)嚴重損傷。而模擬安裝后的螺栓同樣出現(xiàn)彎曲現(xiàn)象，但螺紋只出現(xiàn)局部輕微損傷，可以推斷失效螺紋處的損傷一方面是由于安裝時因螺栓彎曲而與卡箍孔擠壓造成；另一方面是由于連接副松動后螺紋與卡箍孔擠壓所致。由此可見，引起組合件失效的根本原因是螺母松動。
連接副中采用的施比牢螺母因其具有特殊的螺紋幾何結(jié)構(gòu)而具有一定的防松能力，但是這種防松能力與連接副的預(yù)緊力有關(guān)，預(yù)緊力越小，其防松能力
越低。由于組合件的工作溫度較高，通常高溫下工作的螺栓會發(fā)生蠕變松弛現(xiàn)象 。蠕變松弛會導(dǎo)致螺栓伸長、預(yù)緊力下降，而且這種松弛會隨工作時間而不斷累積，不可恢復(fù)。當(dāng)發(fā)動機停機時，螺栓又恢復(fù)到室溫，但高溫下產(chǎn)生的蠕變卻不能恢復(fù)，因此螺栓會產(chǎn)生永久性伸長，螺栓伸長后其預(yù)緊力會降低，如此反復(fù)，施必牢螺母的防松能力不斷下降直至不能滿足要求，而車輛在運行中可能會有振動，從而導(dǎo)致螺母松脫掉落。螺栓的蠕變試驗顯示，在475 oC環(huán)境下保持安裝預(yù)緊力72 h，螺栓伸長1．193 mm，說明該螺栓的蠕變比較明顯，這也驗證了上述推論[4-5 ]。
構(gòu)件的抗蠕變松弛性能不僅與材料屬性有關(guān)，同時也與工作溫度和所受應(yīng)力密切相關(guān)，溫度越高，應(yīng)力越大，則蠕變越明顯，因此，為避免蠕變松弛現(xiàn)象造成類似緊固失效的發(fā)生，可從以下幾個方面進行改進：(1)選用抗蠕變性能更好的材料，如高溫合金；(2)施加合適的預(yù)緊力；(3)考慮組合件與被連
接件之間熱膨脹系數(shù)的匹配性；(4)采用其他防松方式，如用全金屬鎖緊螺母替代施必牢螺母，選用細牙螺紋等。
3 結(jié)論
(1)送檢卡箍組合件的失效是由于高溫下螺栓發(fā)生蠕變松弛導(dǎo)致螺母失去鎖緊功能而引起的。
(2)送檢螺栓抗拉強度不符合圖紙要求。
(3)建議選用抗蠕變性能更好的材料，同時采用其他防松方式。
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