關于汽車配件螺栓斷裂原因分析

任曉霞 堯偉

摘 要：材質為45#的螺栓在熱處理后沿徑向出現(xiàn)裂紋并斷裂。為了查明原因，用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡對斷裂處進行了能譜、宏觀、微觀和化學成分等分析。研究表明：螺栓的化學成分完全符合產(chǎn)品的技術要求，螺栓斷裂是由于螺栓在淬火前存在成分偏析，以及淬火冷卻時生成較多的塊，半網(wǎng)狀鐵素體等組織缺陷，引起螺栓的強韌性下降，導致螺栓沿徑向方向產(chǎn)生微裂紋而引起的疲勞斷裂。

關鍵詞：螺栓 疲勞斷裂 成分富集

中圖分類號：TG11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0070-01

某公司生產(chǎn)的螺栓，主要用于汽車上，其作用是緊固連接。材質：45#，性能等級：4.8級，規(guī)格：M10。它的熱處理工藝是淬火900～930 ℃以及回火580～630 ℃。熱處理結束之后，發(fā)現(xiàn)沿徑向方向螺栓斷裂，導致批量性報廢，造成單位的經(jīng)濟損失慘重。該文通過分析，探究螺栓斷裂的原因，包括能譜、宏觀、微觀和化學成分等分析。

1 實驗過程與結果

1.1 化學成分分析

其材質：45#，執(zhí)行標準：GB/T699-1999，螺栓的化學成分是通過采用美國XXX型光電直讀光譜儀進行光譜分析的，結果見表1，觀察表1知斷裂螺栓的化學成分滿足GB/T699-1999優(yōu)質碳素結構鋼的要求。

1.2 宏觀分析

見圖1，斷裂螺桿的宏觀圖。經(jīng)觀察可知，螺栓對開是沿徑向區(qū)域，斷裂起源于螺栓螺紋牙處。整個斷口絕大部分為擴展區(qū)，最后的瞬斷區(qū)很窄，宏觀上有明顯的疲勞特征。直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓。因此可判斷裂紋源應在螺栓螺紋牙處。

1.3 微觀分析

侵蝕樣品的溶液選用5%（體積分數(shù)）硝酸酒精，通過在顯微鏡下觀察，能夠發(fā)現(xiàn)其縱向截面斷裂邊緣組織是大量塊狀鐵素體以及回火索氏體（見圖2）。其塊狀鐵素體是屬于未淬透而生成的組織，有可能是經(jīng)加熱使其完全奧氏體化之后再做淬火冷卻而緩慢形成的，并在回火的時候，因沒有發(fā)生組織轉變，最后，這部分鐵素體被保留了下來，降低了機械性能，而余下的馬氏體經(jīng)碳化物析出，進而轉變?yōu)榛鼗鹚魇象w。

1.4 能譜分析

觀察正常部位組織（圖3）及裂紋附近的組織（圖4、圖5），可以發(fā)現(xiàn)組織均以回火索氏體為主，大小均勻。裂紋附近組織無明顯異常，可以初步判定裂紋不是在軋制階段形成的，因為若是在軋制階段形成，考慮在連續(xù)冷卻相變過程機理不同，裂紋附近組織與正常部位的組織會有明顯的不同。

能譜分析結果表明，裂紋靠近尖端及遠離尖端處，均發(fā)現(xiàn)有S、Ca、Mn等元素聚集，考慮是煉鋼環(huán)節(jié)保護渣卷入或鋼中夾雜物造成的。鋼中這些元素的聚集，形成硬質相，在外力作用下，易成為裂紋的起源點，而且這些硬質相對裂紋擴展的阻礙作用下，造成產(chǎn)品在服役過程中失效。

2 改進措施

對于上面所說的情況，采取以下改進措施：

（1）在調質之前應先進行退火。

（2）選擇冷卻能力較低的淬火介質（如：油）。

（3）有效防止煉鋼時保護渣的卷入。

3 結論

（1）45#在熱處理過程中生成了塊狀鐵素體這種非正常組織，最終在熱處理過程中的熱應力作用下造成螺栓因微裂紋發(fā)生斷裂。因此，在調質之前應該先進行退火，然后進行正火能夠將晶粒細化，使其組織有所改善。

（2）如果機械性能要求可以由淬火、回火滿足，那么若鋼種的淬透性比較好，則淬火介質應該選擇如油等這類冷卻能力比較低的介質，采用的方式還可以是分級淬火，從而減小組織的內(nèi)應力，進一步減少開裂或者變形傾向。

參考文獻

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