汽車懸置螺栓斷裂失效分析

俞 雁 毛新平 ，蘭鳳崇 ，李瑞峰 ，宋貞楨 ，趙 喆 ，蔣 瓊 ，陶運來 ，曾肇豪

（1.廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣州510640；2.廣州鋼鐵集團珠江鋼鐵公司，廣州 510730；3.華南理工大學，廣州 510640；4.華測檢測技術股份有限公司上海金屬實驗室，上海 201206；5.中聯(lián)重科股份有限公司，長沙 410205）

某款車在進行整車高強度耐久試驗時，當車輛行駛里程為4 747 km時，發(fā)生了連接右懸置與發(fā)動機的螺栓斷裂事故。已確認失效螺栓的規(guī)格為M10×1.25×45， 材料牌號為 SCM435， 淬火溫度870℃，回火溫度500℃，表面鋅鋁涂層。設計性能等級為 10.9 級。

1 分析內容

1.1 分析樣件

分析樣件為失效螺栓和失效螺栓同一批次的完整螺栓各一根。完整螺栓是全新未使用過的。

1.2 分析內容

對失效螺栓進行了斷口宏觀分析、化學成分分析、硬度測試、金相組織分析、掃描電鏡斷口分析和能譜測試。對完整螺栓進行了化學成分分析、硬度測試、拉伸測試和金相組織分析。

2 分析結果

2.1 斷口宏觀分析

失效螺栓的斷面原貌如圖1所示，斷面位于螺栓桿部螺紋的倒數(shù)第二齒位置。連接螺栓頭部的斷口較為完整，但有輕微污染（圖1中右側放大圖），且與之相匹配的另一斷口已被破壞，無斷口分析價值。故只對連接螺栓頭部的斷口進行分析。

經(jīng)清洗后的斷面如圖2所示，斷口較為平齊，可觀察到有明顯的貝紋形貌。瞬斷區(qū)面積較小。斷裂源于齒根部（如箭頭所示）。斷口處未發(fā)現(xiàn)有明顯的塑性形變。

2.2 化學成分分析

按照GB/T 4336-2002的檢測要求，使用SPECTRO MAXx直讀光譜儀對失效螺栓和完整進行化學成分分析，分析結果如表1所示。

表1 失效螺栓的化學成分%

分析結果表明，螺栓的基體化學成分符合牌號SCM435的要求。

2.3 硬度測試

分別對失效螺栓和完整螺栓進行表面硬度和心部硬度測試，測試結果如表2及表3所示。

表2 表面硬度測試結果（HV0.3）

表3 心部硬度測試結果（HV10）

表面硬度和心部硬度的測試結果表明，螺栓的表面及心部硬度均符合GB/T 3098.1的要求。

2.4 金相分析

2.4.1基體的金相分析

失效螺栓和完整螺栓基體的非金屬夾雜物分別如圖3、圖4所示。

按GB/T 10561的要求對螺栓進行非金屬夾雜物評級，評級結果如表4所示。

表4 失效和完整螺栓的非金屬夾雜物評級

兩種螺栓的夾雜物數(shù)量均屬于正常范圍。

用4%硝酸酒精溶液浸蝕后，可發(fā)現(xiàn)失效螺栓和完整螺栓的基體組織均以回火索氏體為主，有少量未溶粒狀合金碳化物及少量貝氏體，原馬氏體級別為4級，原馬氏體量超過90%，如圖5、圖6所示。

2.4.2失效螺栓裂紋起源處金相分析

圖7為斷口處的拋光態(tài)形貌，左側斷面為失效螺栓的失效斷口，裂紋源在圖中箭頭所指的位置。將圖中圓圈部分放大，可見斷裂始處（齒根部）有較多的微裂紋，長度約0.010mm，如圖8所示。

圖9、圖10為圖7區(qū)域浸蝕后的組織形貌，微裂紋附近未見明顯組織異常。

圖11為斷口瞬斷區(qū)組織形貌，未見組織有明顯變形。

2.4.3表面金相分析

圖12、圖13分別為失效螺栓和完整螺栓的螺紋表面的拋光態(tài)形貌，可見兩個螺栓的表面均有較多的微裂紋。

圖14和圖15分別為兩種螺紋表面區(qū)域浸蝕后的形貌，均可見明顯的晶間氧化。微裂紋和晶間氧化深度約為0.015 mm，涂層深度約為0.012 mm。

2.5 失效螺栓的斷口SEM分析

對失效螺栓的斷口進行SEM分析，圖16為斷口的低倍整體形貌，圖中箭頭所指的位置為裂紋源。將裂紋源處放大，如圖17所示，可見明顯的臺階、貝紋。

圖18是將圖17繼續(xù)放大的形貌，可見斷口呈準解理及沿晶斷裂形貌。

圖19是接近斷裂源區(qū)的形貌，與斷裂源區(qū)近似，呈現(xiàn)準解理及沿晶斷裂形貌。

圖20是裂紋擴展區(qū)的微觀形貌，可見該區(qū)域較為平坦。將圖20中的區(qū)域放大，如圖21所示，組織表現(xiàn)為準解理及沿晶斷裂。

圖22是瞬斷區(qū)的微觀斷口形貌，呈現(xiàn)準解理及淺韌窩形貌。

圖23是斷口附近螺紋處的形貌，將圖中箭頭所指區(qū)域放大如圖24所示，可見齒根部有明顯的微裂紋。

2.6 失效螺栓的能譜測試

對失效螺栓接近斷口的螺紋涂層進行能譜測試，測試結果如圖25所示。

對失效螺栓的斷裂源區(qū)進行能譜測試，測試結果如圖26所示。

對失效螺栓的斷面中部進行能譜測試，測試結果如圖27所示。

將三個區(qū)域的能譜測試結果匯總成表，如表5所示。

從能譜測試結果上可看出，斷裂源區(qū)的Zn、Al含量略高于斷面中部（基體），其他化學成分基本一致。

表5 失效螺栓能譜分析結果

2.7 完整螺栓的拉伸試驗

按GB/T 3098.1的要求對完整螺栓進行拉伸試驗，測試結果如表6所示。

表6 完整螺栓拉伸試驗結果

測試結果表明，完整螺栓的抗拉強度符合GB/T 3098.1 要求。

3 結果分析

上述分析結果表明，失效螺栓屬疲勞斷裂，斷裂源于齒根部。

失效螺栓和同批次的完整螺栓，無論是化學成分、顯微組織、非金屬夾雜物還是硬度均符合相關標準的規(guī)定。完整螺栓的拉伸強度達到了10.9級要求。

通過光學顯微鏡和SEM電鏡觀察，發(fā)現(xiàn)螺紋表面加工粗糙且有較多的微裂紋和晶間氧化現(xiàn)象。微裂紋易擴展并誘發(fā)早期疲勞失效。

螺栓的基體組織為均勻的回火索氏體，有較多的未溶粒狀合金碳化物。

4 結論與建議

（1）失效螺栓的斷裂屬于疲勞斷裂，裂紋源位于倒數(shù)第二齒的齒根部。

（2）螺栓螺紋表面存在明顯微裂紋，微裂紋為斷裂裂紋的起源。

（3）建議改進螺栓生產(chǎn)工藝，減輕螺紋表面微裂紋，并改善熱處理品質。

［1］俞雁，宋貞楨，李瑞峰，等.發(fā)動機缸蓋螺栓斷裂失效分析［J］.汽車技術，2010，（9）：54－57.

［2］俞雁，蘭鳳崇，毛新平，等.汽車發(fā)動機懸置支架斷裂失效分析［J］.冶金叢刊，2012，（1）.

［3］查利 R.布魯克斯，阿肖克.考霍萊.著.謝斐娟，孫家禳，譯.工程材料的失效分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社.2003：61－98.

［4］李維榮.常用緊固件產(chǎn)品手冊［M］.北京:中國標準出版社.2002：403－416.

［5］GB/T 3098.1－2000， 緊固件機械性能 螺栓螺釘和螺柱［S］.

［6］GB/T 4336－2002，碳素鋼和中低合金鋼 火花源原子發(fā)射光譜分析方法（常規(guī)法）［S］.

［7］桂立豐，朱森弟，依英奇，等.機械工程材料測試手冊（物理金相卷）［M］.沈陽:遼寧科學技術出版社，1999.