卡箍螺栓螺帽组合件失效分析

 委托方提供失效卡箍螺栓螺母组合件2组(螺母已脱落)，未安装的完好件若干组，卡箍材质为304不锈钢，螺栓材质为304Cu不锈钢，规格为M6，螺母材质为316L，是带防松功能的施必牢螺母。组合件用于连接紧固汽车发动机涡轮增压器和三元催化器，安装扭矩为8 N-Ill，最高工作温度为475℃。

据委托方反映，路试7万km中途螺母脱落造成组合件失效，要求分析失效原因。

1 失效螺栓螺母组合件检测

1．1 宏观分析

   图1所示为组合件安装位置示意图。图2为送检试样宏观形貌，可见失效试样表面带有明显的氧化色。图3为失效螺栓宏观形貌，可见螺栓已发生明显的弯曲现象。图4为1#和2#失效螺栓螺纹低倍形貌，可见多处螺纹出现较严重的损伤(箭头所示)。图5所示为模拟安装示意图。安装后拆卸发现螺栓出现轻微弯曲变形，如图6所示。图7为螺纹表面低倍形貌，可见牙纹出现轻微损伤。

1．3 横向振动测试

对送捡螺栓进行横向振动试验，测试组合件的防松能力。 图8a为第1种模拟试验试样安装，模拟卡箍与法兰配合良好，螺栓未发生弯曲变形时情况； 图8b为第2种模拟试验试样安装，增加一块12°的斜垫．模拟当卡箍法兰配合不良时导致螺栓发生弯曲的情况、横向振动试验参数：试验频率为12．5 Hz，振幅为0．6mm，振动力为1．0 kN ，实验结果见表2。2次模试验结束时，试样残余轴力均趟过初始轴力的70％ ，但方案2(螺栓弯曲)预紧力下降幅度略大于方案1。

1．5 化学成分分析

采用直读光谱法对失效螺拎进行化学成分检测，结果见表4，化学成分符合EN 10269-1999 1[2]于304Cu钢的要求。

2 综合分析

送检螺栓横向振动试验指标，化学成分及螺母保载试验指标均未发现明显异常。失效螺栓宏观形貌显示出明显弯曲，同时多处螺纹出现严重损伤。而模拟安装后的螺栓同样出现弯曲现象，但螺纹只出现局部轻微损伤，可以推断失效螺纹处的损伤一方面是由于安装时因螺栓弯曲而与卡箍孔挤压造成；另一方面是由于连接副松动后螺纹与卡箍孔挤压所致。由此可见，引起组合件失效的根本原因是螺母松动。

连接副中采用的施比牢螺母因其具有特殊的螺纹几何结构而具有一定的防松能力，但是这种防松能力与连接副的预紧力有关，预紧力越小，其防松能力

越低。由于组合件的工作温度较高，通常高温下工作的螺栓会发生蠕变松弛现象 。蠕变松弛会导致螺栓伸长、预紧力下降，而且这种松弛会随工作时间而不断累积，不可恢复。当发动机停机时，螺栓又恢复到室温，但高温下产生的蠕变却不能恢复，因此螺栓会产生永久性伸长，螺栓伸长后其预紧力会降低，如此反复，施必牢螺母的防松能力不断下降直至不能满足要求，而车辆在运行中可能会有振动，从而导致螺母松脱掉落。螺栓的蠕变试验显示，在475 oC环境下保持安装预紧力72 h，螺栓伸长1．193 mm，说明该螺栓的蠕变比较明显，这也验证了上述推论[4-5 ]。

   构件的抗蠕变松弛性能不仅与材料属性有关，同时也与工作温度和所受应力密切相关，温度越高，应力越大，则蠕变越明显，因此，为避免蠕变松弛现象造成类似紧固失效的发生，可从以下几个方面进行改进：(1)选用抗蠕变性能更好的材料，如高温合金；(2)施加合适的预紧力；(3)考虑组合件与被连

接件之间热膨胀系数的匹配性；(4)采用其他防松方式，如用全金属锁紧螺母替代施必牢螺母，选用细牙螺纹等。

3 结论

(1)送检卡箍组合件的失效是由于高温下螺栓发生蠕变松弛导致螺母失去锁紧功能而引起的。

(2)送检螺栓抗拉强度不符合图纸要求。

(3)建议选用抗蠕变性能更好的材料，同时采用其他防松方式。