新氢压缩机连杆螺栓断裂失效分析

新氢压缩机连杆螺栓断裂失效分析

卢忠元

南京金陵石化建筑安装工程有限公司江苏南京210033

摘要：连杆螺栓作为高强度螺栓，是压缩机紧固件中最重要的零件之一。连杆螺栓工作时承受冲击性的周期交变拉应力和装配预应力，在压缩机运转过程中，一旦断裂将引起严重事故。因此连杆螺栓要具有足够的强度、冲击韧性和疲劳抗力。通过采用断口分析、硬度检测和金相检测等方法，对整车检测线发生断裂的压缩机连杆螺栓的失效原因进行分析，采取预防措施防止质量缺陷产生。

关键词：压缩机；连杆螺栓断裂失效分析

前言

压缩机连杆螺栓材料为SCM435（国标牌号35CrMo），强度等级要求为10.9级。在实际使用中，高强度螺栓断裂失效时有发生，其后果和损失也极为严重。由售后服务人员的统计数据发现，绝大多数连杆螺栓失效的事故里程不足10000km。故对早期失效进行分析和控制具有重要意义，而早期失效可能原因是加工制造过程中某些具有规律性的反常因素。本文对某单位整车检测线发生的一起连杆螺栓断裂案例进行失效分析，并从失效原因入手吸取经验教训和采取预防措施。在空压机研发过程中，连杆断裂是空压机致命故障。目前，连杆断裂故障的分析方法均为光学金相和电子探针分析仪等分析手段，针对故障连杆和连杆螺栓进行分析。然而，影响连杆断裂的原因是多样化且不可预判的，如果仅仅采用光学金相和电子探针分析仪的方法分析，只能判断故障件是否存在问题，并不能找出连杆断裂的真正原因。

1断裂连杆螺栓失效分析

某单位整车检测线车辆过制动检测工位时，压缩机突然熄火，经确认曲柄连杆击穿油底壳，右侧连杆螺栓断裂于螺杆中部，即连杆体与连杆盖的对口面。

1.1检验

1.1.1断口分析

断口较平坦，断口外貌呈杯锥状，杯锥底垂直于主应力，锥面平行于最大切应力，与主应力近似成45°角；断口表面呈纤维状，颜色灰暗。断口附近有明显拉伸塑性变形，有一定程度颈缩。在体视显微镜下观察，断口附近3～4个螺纹牙范围内螺纹根部可见明显裂纹，分布范围在螺纹圆周30°区域内。从宏观形貌分析可知，裂纹先在右下方纤维区形成，然后向上方放射和向外扩展，当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓发生断裂。

二次纤维区有明显的等轴韧窝特征，即螺栓受到轴向拉应力作用形成。金属韧性断裂最主要特征就是韧窝，也称为迭波、孔坑、微孔、微坑等，韧窝特征的形成机理为空洞聚集，即显微空洞生核、长大、集聚直至断裂。一般来说，材料变形硬化指数越大，越难出现韧窝特征。受材料所受应力状态和第二相质点的形状、尺寸、分布，材料本身的相对塑性等影响，韧窝会表现出不同的大小和形状。

从断口宏观和微观分析可知，断裂断口为韧性断口，裂纹起源于右下部位，裂纹产生后向上放射和向外扩展，直至螺栓断裂。螺栓、螺孔结构中影响螺栓断裂的主要因素是过渡圆角过小，包括螺纹牙根、螺杆与螺栓头、退刀槽等处的过渡圆角，不仅产生应力集中，还因过渡圆角小，在热处理中容易产生较大的内应力，因此出现微裂纹或裂纹倾向，降低螺栓承载能力，外载荷与内应力共同作用使螺栓承受的载荷超过其极限，因此导致螺栓断裂。

1.1.2螺栓硬度检测

由此可见，螺栓材料硬度符合技术要求，且位于中值附近。

1.1.3螺栓金相检测及分析

采取距螺纹端部为螺栓直径的1.5倍处的横向截面取样，对剖切面进行金相磨抛，经4%硝酸酒精侵蚀，查看螺牙根部是否存在裂纹和脱碳现象。螺栓螺纹牙根部裂纹形貌，裂纹分布于距螺栓断口3～4个螺距范围的拉伸断裂缩颈区和螺纹齿根处，长约0.023～0.265mm，缩颈区以外的齿根处无裂纹，裂纹是螺栓受到拉伸力发生断裂过程中产生。在螺栓裂纹位置及螺牙表面未见明显脱碳现象。

1.2分析结论

综上，断裂连杆螺栓的硬度和金相组织都合格，螺纹牙未发现脱碳现象；连杆螺栓为正常的韧性断裂，断口无异常。

2弯曲连杆螺栓分析

左侧连杆螺栓未断裂，发生了轻微的弯曲，弯曲方向指向断裂螺栓一侧，弯曲螺栓的安装孔部分螺纹被破坏，且弯曲螺栓安装孔同侧的连杆体边缘有撞击痕迹，螺栓孔发生变形呈椭圆形。

2.1故障连杆螺栓拧紧过程分析

调查拧紧过程，得知3#断裂螺栓拧紧数据合格，4#弯曲螺栓第一次拧紧角度不合格，返修后第二次拧紧过程、最终扭矩和角度均合格。4#弯曲螺栓拧紧曲线，该螺栓拧紧至要求扭矩后有异常的拧紧下降过程，结合故障现象可推断该螺栓可能发生了滑牙。

2.2螺栓大中小径检测

螺栓大中小径符合技术要求。

2.3连杆体螺栓孔检测与分析

螺栓孔小径符合技术要求。零件供应商对故障件连杆体螺栓孔进行剖切和分析，认为连杆体螺栓孔螺纹开始部分存在平扣现象是其装配工序多次装配扭紧螺栓导致的。由于连杆螺栓扭矩异常或连杆多次扭紧导致螺纹起始处出现平扣/烂扣，操作者使用丝锥手动攻丝返修，因螺纹起始位置存在平扣/烂扣，丝锥不能按照设定的螺纹螺距进行螺纹返修，导致故障件连杆体螺栓孔的螺纹螺距出现二次加工，引起螺纹螺距和螺纹牙型异常。螺栓材料中疏松、气泡、夹渣和内裂纹的存在使材料的实际许用应力明显降低。一高强度螺栓断口的宏、微观分析表明，当断裂从裂纹源处起裂之后，断裂过程以快速、失稳方式进行扩展直至破断。这是由于材料内部存在很多微裂纹、微孔隙等微观缺陷，致其实际许用应力降低，这也是裂纹快速失稳扩展的先决条件。这些微裂纹的形成与冶炼时除气和造渣不彻底、后续锻造又不能完全消除有关

3建议

为减少装配时和装配后使用过程中的螺栓失效，有如下建议：①提高连杆螺栓、螺母及连杆的加工精度和加工质量，避免表面损伤和螺纹异常情况出现。②加强螺栓制造过程中的质量管理，如钻螺栓孔攻丝完成后增加螺纹孔100%检查，螺栓热处理完成后增加100%磁粉探伤，能及时筛查出问题零件；加工过程中要尽量避免手工返修，并做好100%返修确认；制定抽检频次对螺栓金相、硬度、力学性能等进行检测和变化趋势分析，提前采取预防和控制措施。③加强压缩机连杆螺栓装配过程中的质量管理，如选用合适的拧紧方式；设置合理的拧紧扭矩监控范围、角度监控范围和角度值，避免出现过载现象或装配扭矩上下限报警；预紧螺栓出现卡滞或拧紧过程报警要先分析确认原因后再处理，避免盲目用力破坏零件，增加失效风险。

4结论

螺栓的断裂为韧性断裂，硬度和金相组织都合格。螺栓失效原因：4#弯曲螺栓的安装孔螺纹螺距和螺纹牙型异常导致装配拧紧过程滑牙，在压缩机运行过程中螺栓产生松脱，使得3#螺栓因受外力不均匀发生韧性断裂。此次螺栓失效，很大程度上是源于质量管理的疏忽，如丝锥手工返修螺纹不规范、装配扭矩异常未确认等。螺栓断裂是比较常见的缺陷，如装配时断裂和装配后使用过程中断裂。装配时断裂影响因素有：摩擦系数偏小、拧紧时施加的扭矩过大（装配工具或扭矩设定等）、零件本身的性能强度不够、螺纹长度不够或螺纹缺陷（内螺纹或外螺纹）、设计缺陷、相配件缺陷。装配后断裂影响因素有：氢脆断裂、未装紧或松脱断裂、应力集中部位质量不稳定（如表面损伤、未圆滑过渡等）疲劳断裂、受大的剪切力断裂等。

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