挖掘机履带钢螺栓失效原因分析

12.9级六角头螺栓,规格为M14×1.25×45,材质为SCM435，经调质后直接利用余温发黑。

该螺栓用于固定某型号挖掘机履带，安装扭矩为280N.m，装配后放置于室外。在整机交付给客户时发现该螺栓发生了断裂，具体断裂时间不能确定。取故障件2件，同批完好产品2件进行断裂分析。

 试验过程与结果

故障件于头部与杆部断裂，断裂部配合良好，头部涂有灰色油漆，如图14-60所示。

图14-60 故障件形貌

故障件断裂发生在螺栓头下圆角位置，断裂残件头部与杆部配合良好。头部断口成碗口状向内凹陷，表面较光滑，断口附近无擦伤和塑性变形，如图14-61所示。

杆部断口表面平齐无明显塑性变形，表面锈蚀严重，外侧圆角边缘表面光滑，颜色较深为断口起裂位置，见图14-62。

图14-61  头部断口宏观形貌                图14-62 杆部断口宏观形貌

扫描电镜对断口微观检查，在扫描电镜下观察断口的微观形貌:

裂纹起源处微观形貌，晶粒沿晶界分离呈冰糖状，晶粒轮廓鲜明，有二次裂纹存在，无明显夹杂，由于断口锈蚀的原因，晶面细节已难以分辨,见图14-63。

断口中心区域表面形貌，可见表面有大量撕裂楞存在，具有穿晶准解离断裂特征,见图14-64。

裂纹终断处微观形貌,为大小均匀的等轴韧窝形貌,见图14-65

将断裂试样纵向切开制成金相试样，扫描电镜和显微镜观察，发现断口附近螺栓表面与心部组织一致，未发现渗碳或脱碳迹象。但裂纹源附近表面有较多折叠，折叠从表面与螺栓轴向呈一定角度向内部延伸，折叠表面开口较宽但底部不尖锐，边缘组织未见异常，经能谱分析显示折叠两侧有氧化皮，如图14-66所示。

图14-63裂纹起源处微观形貌                 图14-64裂纹中心区域微观形貌

                图14-65裂纹终断处微观形貌                

图14-66 断裂试样表面缺陷

批件检查，取同批件后先目视检查，发现螺栓外表面沿轴线方向存在有疤痕、折叠缺陷，如图14-67所示。

从螺栓条痕缺陷处纵向切开制成金相试样，扫描电镜和显微镜观察， 在疤痕、折叠缺陷上发现有裂纹，其深度接近0.4mm，如图14-68所示。

        图14-67 同批螺栓表面缺陷              图14-68 同批螺栓表面缺陷

头部圆角尺寸检测，取同批螺栓沿螺栓中轴线切开，检测螺栓头部圆角尺寸，发现圆角过度不均匀，部分位置圆角半径不到0.5mm，小于厂家设计的最小值0.6mm，见图14-69。

图14-69 同批螺栓头下圆角半径

断裂件金相组织为回火索氏体。

对螺栓的化学成分进行分析，分析结果，符合《JIS G4053-2003》标准对SCM435钢的要求。

对断裂件硬度检测，从试样裂纹源附近表面和心部进行硬度检测，检测结果，表面和心部硬度值为395～405 HV0.3，

分析与讨论

该批螺栓材料、组织、硬度符合技术要求，螺栓断裂与材料、组织、硬度无关。

螺栓头杆连接处的圆角半径R小，与螺栓成型工艺不当有关。

断裂螺栓在裂纹源附近表面有较多条痕、折叠缺陷，折叠从表面与螺栓轴向呈一定角度向内部延伸，折叠两侧有氧化皮，。

同批件检查，螺栓的外表面存在有疤痕、条痕缺陷， 在疤痕、折叠缺陷上发现有0.4mm深度的裂纹。

断裂件头杆连接处应力集中，应力集中区表面存在折叠缺陷，头杆连接处的R过小，在安装拉应力作用下，折叠扩展最后断裂。

该螺栓为高强度螺栓，安装应力大，安装后螺栓受拉应力和扭转应力作用， 螺栓头杆连接处为应力集中的地方，表面存在较多的缺陷和横向小裂纹，在安装应力作用下, 裂纹不断扩展，使螺栓在头杆连接处应力断裂。

  结论与启示

（1）由于螺栓成型工艺不当，使螺栓头杆连接处的R小，造成应力集中；螺栓头杆连接处表面存在横向折叠缺陷，在安装应力作用下折叠缺陷不断扩展，最后应力断裂。

（2）该批螺栓头杆连接处表面都存在较多缺陷，建议不要使用；已使用的应马上更换。

（3） 螺栓采用合适的成型工艺，防止螺栓头杆处的圆角半径R过小，还要防止螺栓头杆处因变形不当，表面产生缺陷。