制動器拉桿螺桿斷裂分析

程 琴，曾 蓉，劉德林

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095;3.中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095;4.萍鄉(xiāng)學(xué)院材料與化學(xué)工程系，江西 萍鄉(xiāng) 337055)

0 引言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，緊固件行業(yè)得到飛速發(fā)展，同時對汽車緊固件要求也越來越高。45 中碳優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼是生產(chǎn)汽車高強度緊固件的常用原材料，該鋼淬硬性較高但淬透性低，切削加工性和力學(xué)性能較好，一般在正火狀態(tài)下使用，力學(xué)性能要求較高時可采用調(diào)質(zhì)處理。具體熱處理工藝是在完全淬透的情況下，經(jīng)高溫回火得到符合要求的產(chǎn)品。并廣泛應(yīng)用于制造各種重要的結(jié)構(gòu)零件，特別是那些在交變負(fù)荷下工作的連桿、吊鉤、螺栓、齒輪以及軸類等［1-5］。

車輛在總裝廠維修時，經(jīng)反復(fù)拆裝制動器及側(cè)減速器后發(fā)現(xiàn)制動器拉桿部件中的螺桿發(fā)生斷裂。該類緊固件的失效故障發(fā)生較多［6-9］。汽車行車制動器的作用是在行駛時使車輛減速或者停止，保障人身和車輛的安全。制動器零部件如螺桿的過早失效，會引起汽車故障，人力和財力損失嚴(yán)重。因此，找到制動器拉桿故障原因，防止此類事件再次發(fā)生，消除故障隱患，保證汽車及人員安全就顯得尤為重要。

制動器拉桿部件中的螺桿材料為45 鋼，該零件在冷拉后按照要求需要進行調(diào)質(zhì)熱處理，調(diào)質(zhì)處理工藝參數(shù)如下:830±10 ℃保溫90～150 min，水淬，(550±30)℃保溫2～3 h，空冷。螺桿的硬度技術(shù)要求為HV 270～302。

本研究通過對斷裂制動器拉桿螺桿進行宏微觀觀察、金相檢查、硬度檢測和熱模擬試驗等方法確定了螺桿的斷裂性質(zhì)，并分析了該螺桿發(fā)生斷裂的原因，并提出了解決措施，為避免此類故障的再次發(fā)生提供了借鑒作用。

1 試驗方法

采用Camscan 型掃描電鏡和OLYMPUS SZ61型體視顯微鏡對螺桿斷口進行宏微觀觀察，用OLYMPUS GX51 型金相顯微鏡對螺桿的金相組織進行檢查，在WOLBT 401MVD 硬度試驗機上對螺桿的硬度進行測試，用M401A 電熱爐進行熱模擬試驗。在上述試驗的基礎(chǔ)上確定了螺桿的斷裂性質(zhì)，并分析斷裂失效原因。

2 試驗過程與結(jié)果

2.1 宏觀檢查

螺桿外觀形貌如圖1 所示。螺桿斷裂于螺桿與螺母的交接處。在OLYMPUS SZ61 型體視顯微鏡下對螺桿螺紋牙底進行觀察，未見裂紋。

螺桿斷口宏觀形貌見圖2。斷口附近無明顯的塑性變形，斷面存在較嚴(yán)重的銹蝕痕跡。斷口源區(qū)及擴展前期較平坦，最后斷裂區(qū)較粗糙，整個斷面存在一定的高度差。螺紋牙底未見擦傷、剝落、燒傷及撞擊等痕跡。

2.2 微觀觀察

將螺桿斷口清洗后放入JSM-5600LV 掃描電鏡下進行觀察。

圖1 斷裂螺桿外觀形貌Fig.1 Appearance of the fractured screw

圖2 螺桿斷口宏觀形貌Fig.2 Fracture surface of the screw

斷口源區(qū)和擴展區(qū)微觀形貌是解理羽毛和河流花樣(圖3a、圖3b)，最后斷裂區(qū)呈拉長韌窩形貌(圖3c)。而人工快速和慢速打斷的斷口則為解理特征和韌窩混合形貌(圖4)。取樣通過830℃保溫2 h 水冷，520 ℃保溫2 h 空冷后，在室溫下人為快速打斷，整個斷口呈韌窩形貌(圖5)。

2.3 金相組織檢查

在螺桿斷口附近橫向截取金相試樣，磨制拋光后用濃度為4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精腐蝕并觀察。螺桿組織為較粗粒狀珠光體、短片狀的珠光體、少量的層片狀珠光體和白色塊狀鐵素體(圖6)。

圖3 螺桿斷口微觀形貌Fig.3 Micro appearance of the fracture surface of the screw

圖4 人工斷口微觀形貌Fig.4 Micro feature of man-made fracture

圖5 熱模擬試驗后人工打斷斷口微觀形貌Fig.5 Micro feature of the man-made fracture surface after thermal simulation test

圖6 斷裂螺桿金相組織形貌Fig.6 Metallurgical structure appearance of fracture screw

在失效件的左螺紋中間段取樣，對其進行熱模擬試驗，對應(yīng)的模擬參數(shù)分別為:1)830 ℃保溫45 min 后水冷，540 ℃保溫2 h 空冷;2)830 ℃保溫2 h 水冷，520 ℃保溫2 h 空冷。分別對其編號為1#和2#試樣。本故障件熱處理制度為(830±10)℃保溫90～150 min 后水淬，(550±30)℃保溫2～3 h 后空冷，A 試樣溫度合適但保溫時間較短，B 試樣處于調(diào)質(zhì)參數(shù)范圍內(nèi)。

熱模擬后的試樣經(jīng)磨制拋光后觀察金相組織，A、B 試樣組織均為回火索氏體，但兩者形態(tài)有區(qū)別，A 試樣可見白色條塊狀，且馬氏體位相不是很明顯(圖7)。

圖7 模擬試樣金相組織形貌Fig.7 Metallurgical structure of thermal simulation testing samples

2.4 硬度測定

分別在失效件斷口附近、A 和B 試樣上進行顯微維氏硬度測試，測試結(jié)果見表1。斷裂螺桿顯微硬度平均值為HV 201.0，不符合螺桿的硬度技術(shù)要求(HV 270～302)。但熱模擬試驗后的螺桿A 試樣和B 試樣硬度分別為HV 265.3 和HV 288.4，其中B 試樣符合技術(shù)要求值。

表1 螺桿硬度測試結(jié)果Table 1 Hardness testing results of the screw HV0.3

3 分析與討論

螺桿斷裂起源于螺紋牙底，斷口附近無明顯塑性變形，斷口源區(qū)及擴展前期較平坦，最后斷裂區(qū)較粗糙，整個斷面存在一定的高度差。整個斷面微觀形貌呈解理特征，最后斷裂區(qū)存在極少部分的韌窩形貌。斷裂螺桿的金相組織為較粗粒狀珠光體、短片狀珠光體、少量的層片狀珠光體和白色塊狀鐵素體。由以上特征判斷，螺桿的斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

斷口宏微觀觀察結(jié)果表明，斷裂從螺桿的牙底一側(cè)向另一側(cè)擴展，不僅受軸向拉力，必然受到彎曲載荷。另外，該螺桿安全裕度為2.0(即失效應(yīng)力與設(shè)計應(yīng)力的比值減去1.0 后的正數(shù)值，表征結(jié)構(gòu)強度的富余程度)，在正常載荷作用下不足以發(fā)生斷裂。由此判斷，螺桿可能受到異常的彎曲和沖擊載荷復(fù)合作用。

通常來說，零件發(fā)生過載斷裂是指零件工作過程中受到的應(yīng)力超過材料的斷裂抗力所致［10］。主要影響因素包括:載荷超過了零件自身的抗力，零件所用材料自身的抗力不足［11］。

對于本失效案例來說，該制動器拉桿材料設(shè)計要求需按照技術(shù)要求進行調(diào)質(zhì)熱處理，為(830±10)℃淬火+(550±30)℃回火，組織應(yīng)為回火索氏體，而該螺桿主要由粒狀珠光體、短片狀珠光體、少量的層片狀珠光體和白色塊狀鐵素體組成，表明螺桿僅進行過退火處理，并未進行調(diào)質(zhì)處理;組織決定材料的力學(xué)性能，未進行調(diào)質(zhì)處理也會對材料本身的抗拉強度產(chǎn)生直接的影響。硬度測試結(jié)果也表明，螺桿的硬度為HV 201，遠(yuǎn)低于技術(shù)要求HV 270～302。材料的抗拉強度低，韌性差，與技術(shù)要求規(guī)定的下限相差較大，導(dǎo)致螺桿承受靜載的能力明顯下降，且螺桿與螺母連接處屬于應(yīng)力集中處，該部位較易發(fā)生斷裂失效。

通過對螺桿進行熱模擬試驗后，進一步確定了斷裂螺桿未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。

因此，未進行調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致材料強度低，韌性差，加上在服役過程中螺桿可能受到異常的彎曲和沖擊載荷復(fù)合作用，導(dǎo)致螺母與螺桿的交接處發(fā)生斷裂。要解決螺桿過早失效的問題，嚴(yán)格按照螺桿的熱處理工藝規(guī)程，提高螺桿的強度和韌性，保證材料的力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

4 結(jié)論

1)螺桿的斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

2)未進行調(diào)質(zhì)處理導(dǎo)致材料強度低，韌性差，加上在服役過程中可能受到異常的彎曲和沖擊載荷復(fù)合作用，導(dǎo)致螺母與螺桿的交接處發(fā)生斷裂。

3)嚴(yán)格按照螺桿的熱處理工藝規(guī)程，提升螺桿的強度和韌性，保證材料的力學(xué)性能滿足設(shè)計要求。

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