汽車用高強度螺栓斷裂失效分析

趙偉沖，陳　濤，肖景望

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京　101300）

Zhao Weichong，Chen Tao，Xiao Jingwang

劉光明1，劉永亮1，肖　薇1，沈振華2

（1.北汽福田汽車股份有限公司，北京　102206；2.上海聯(lián)合汽車電子有限公司，上?！?00000）

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汽車用高強度螺栓斷裂失效分析

趙偉沖，陳濤，肖景望

（北京汽車股份有限公司汽車研究院，北京101300）

Zhao Weichong，Chen Tao，Xiao Jingwang

摘要：在汽車底盤中，普遍采用10.9級的高強度螺栓，在使用過程中存在各種形式的斷裂失效。文中對某汽車底盤上的斷裂螺栓進(jìn)行宏觀、微觀觀察，對其金相組織及硬度進(jìn)行檢測，并測量樣品的氫含量，分析判定螺栓斷裂的性質(zhì)及原因。 文中針對搭載某款汽油發(fā)動機的車輛在市場上出現(xiàn)熱啟動困難問題進(jìn)行調(diào)查和分析，對影響此發(fā)動機啟動困難的幾個關(guān)鍵因素進(jìn)行試驗對比分析，最終鎖定產(chǎn)生這種現(xiàn)象的根本原因，并通過對發(fā)動機標(biāo)定策略的調(diào)整，解決搭載該款發(fā)動機車輛的熱啟動問題。

關(guān)鍵詞：螺栓斷裂；氫脆；底盤 發(fā)動機；熱啟動；因素；分析；測試

0　引　言

失效螺栓在按照規(guī)定力矩擰緊30多天后發(fā)生斷裂，材料：SCM435；工藝：冷墩→滾絲→調(diào)質(zhì)→鍍鋅→驅(qū)氫（除氫）；機械性能：10.9級；硬度要求：HRC32～39。

通過SEM掃描電鏡對斷面進(jìn)行宏觀和微觀觀察，同時對其硬度及金相組織進(jìn)行檢測，并測量樣品的氫含量，最終確定失效螺栓的斷裂性質(zhì)及原因。

1　分析過程及結(jié)果

1.1宏觀分析

完整螺栓如圖1所示，斷裂失效螺栓標(biāo)記為1、2、3號，斷裂截面位于螺帽與螺桿的相交R過渡圓角處，如圖2所示。1號螺栓原始斷口如圖3所示，整個斷口分為2個區(qū)，標(biāo)記為Ⅰ、Ⅱ區(qū)，Ⅰ區(qū)斷面平坦，存在放射狀花樣，Ⅱ斷面與Ⅰ斷面約呈45°，表面起伏較大，呈現(xiàn)撕裂狀態(tài)，判定為終斷裂區(qū)。Ⅰ區(qū)為失效起源與擴(kuò)展區(qū)，裂紋起源于Ⅰ區(qū)一側(cè)外部表面，即與Ⅱ區(qū)相對的螺栓一側(cè)外表面。Ⅰ區(qū)所占面積比例較大，大約占整個斷面的90％，斷口未發(fā)現(xiàn)明顯縮頸，判定斷裂性質(zhì)為脆性斷裂。

圖1　完整螺栓外觀

圖2　螺栓斷裂外觀

圖3　1號螺栓原始斷口

1.2微觀分析

通過掃描電鏡觀察，源區(qū)低倍形貌如圖4所示，斷裂起源于表面，源區(qū)未見疏松非金屬夾雜等冶金缺陷。高倍放大觀察，斷口呈現(xiàn)沿晶界斷裂特征，如圖5所示。進(jìn)一步放大觀察，晶面上存在“雞爪樣”3線相交裂痕，如圖6所示。經(jīng)全面觀察，整個Ⅰ區(qū)均為沿晶斷裂和部分韌窩斷裂特征，如圖7所示，Ⅰ、Ⅱ兩區(qū)交界明顯，Ⅱ區(qū)瞬斷區(qū)則表現(xiàn)為典型的撕裂韌窩形貌，如圖8所示。

圖4　源區(qū)低倍形貌

圖5　源區(qū)高倍形貌

圖6　沿晶特征以及晶面上雞爪樣

圖7　沿晶及部分韌窩

圖8　撕裂韌窩

1.3其他斷裂螺栓觀察采樣

其他2個失效斷裂螺栓（2、3號）斷裂的位置以及外觀形貌與1號失效斷裂螺栓一致。將另2個失效斷裂螺栓斷口在掃描電鏡下進(jìn)行觀察，微觀觀察結(jié)果與1號斷口類似，均為典型的氫脆斷裂特征，如圖9～圖12所示。

圖9　源區(qū)低倍形貌

圖10　源區(qū)高倍形貌

圖11　沿晶特征及雞爪樣

圖12　撕裂韌窩

1.4金相組織觀察與硬度檢測

從1號斷裂螺栓上垂直斷面截取試樣，制作縱向金相試樣，螺栓斷口附近金相組織如圖13所示，遠(yuǎn)離斷口區(qū)金相組織如圖14所示，兩區(qū)域金相組織未見差別，均為索氏體組織，組織未見異常。

圖13　斷口附近金相

圖14　遠(yuǎn)離斷口區(qū)金相

對螺栓斷口附近區(qū)域硬度進(jìn)行分散檢測，共計4點，結(jié)果見表1，硬度為HRC36.97，合格（硬度要求HRC32～39）。

表1　螺栓斷口附近硬度檢測結(jié)果

1.5氫含量檢測

對同批次螺栓隨機采樣4根螺栓，每根取2次試樣進(jìn)行氫含量檢測，試樣編號及檢測結(jié)果見表2。

表2　螺栓試樣氫含量測定結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）10-6

表2結(jié)果表明，雖然這些螺栓經(jīng)過了除氫處理，但是螺栓基體內(nèi)仍有氫殘留，有的試樣甚至達(dá)到10×10-6以上。

2　分　析

氫脆是金屬材料所吸收的氫和內(nèi)部應(yīng)力綜合作用的結(jié)果，在低于屈服強度的靜載荷下，持續(xù)一定時間會出現(xiàn)材料早期脆性斷裂現(xiàn)象。失效螺栓斷口平整，宏觀形貌呈現(xiàn)放射花樣，斷裂起源于螺栓表面，微觀可見沿晶界斷裂特征以及晶面上的“雞爪樣”。由斷面宏觀及微觀形貌分析可推斷，失效螺栓的延遲性斷裂為由外表氫脆引起的脆性斷裂。

對氫脆敏感的材料或高強度鋼等，為避免氫的影響，除氫處理時間會更長，普通材料的氫含量在5×10-6～10×10-6以上時才會產(chǎn)生氫脆裂紋，而高強鋼中氫含量小于1×10-6就可能使基體變脆，SCM435為日標(biāo)（JISG4053—2003）的一種合金鋼，國內(nèi)與之相對應(yīng)的鋼材為35CrMo，屬于中高強度鋼，本次試驗中檢測的螺栓氫的含量大多在5×10-6～7×10-6范圍之內(nèi)。

此外在氫含量相同狀態(tài)下，材料斷裂的臨界應(yīng)力極限值會隨著材料的強度或熱處理硬度升高而急劇下降。由此可見，材料的熱處理硬度和材料強度對氫含量極其敏感。在實際制造過程中，應(yīng)該在保證零部件的機械性能和使用性能的前提下盡量降低材料的熱處理硬度，以降低氫脆敏感性。

因此，通過綜合分析此螺栓的工藝制作流程、斷口特征以及失效過程，可基本判定，此螺栓斷裂是由電鍍過程中滲入游離狀態(tài)氫而后續(xù)驅(qū)氫處理時間過短，除氫不完全造成的。斷裂螺栓的金相組織為索氏體組織，組織未見異常，同時其硬度也在相關(guān)規(guī)定范圍內(nèi)，由此可推斷螺栓的熱處理過程正常。

3　結(jié)論及改進(jìn)建議

1）樣品螺栓延遲斷裂失效為氫脆斷裂；

2）氫的來源為零件鍍鋅過程引入氫而后續(xù)驅(qū)氫處理時間短，除氫不完全；

3）零件金相組織及硬度未見異常，熱處理過程正常；

4）建議鍍鋅后盡快進(jìn)行驅(qū)氫處理并延長鍍鋅后的驅(qū)氫處理時間，同時熱處理時在滿足機械性能要求下，盡量避免硬度偏上限。

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某發(fā)動機熱啟動困難問題分析

劉光明1，劉永亮1，肖薇1，沈振華2

（1.北汽福田汽車股份有限公司，北京102206；2.上海聯(lián)合汽車電子有限公司，上海200000）

Liu Guangming1，Liu Yongliang1，Xiao Wei1，Shen Zhenhua2

0　引　言

搭載某款汽油發(fā)動機的車輛偶發(fā)啟動不良，且故障均發(fā)生在熱啟動[1]情況下，冷啟動情況下基本不發(fā)生。故障現(xiàn)象為：開車一段時間后（發(fā)動機水溫達(dá)到80℃以上），在一地點熄火后停留一段時間（一般10～50min不等），再進(jìn)行啟動時，一般情況下一次打火不能順利啟動。維修站等通過更換燃油泵、調(diào)節(jié)器、管路以及前艙線束等多種方式進(jìn)行嘗試性排查，但故障仍未消除。

1　原因分析

根據(jù)問題的描述，初步判定為發(fā)動機溫度或靜置后的停放時間對發(fā)動機啟動的直接關(guān)聯(lián)因素產(chǎn)生了影響。

通過對圖1中列出因素中的啟動機和啟動時的電池電壓進(jìn)行測試，更換新的點火線圈、火花塞和高壓接桿，斷開曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)和進(jìn)氣系統(tǒng)的連接等的排除，故障依然存在。因此著重對圖1中的其他關(guān)聯(lián)因素進(jìn)行分析排查。

圖1　關(guān)聯(lián)系統(tǒng)及因素

1.1缸壓

發(fā)動機缸壓直接決定著壓縮終了時混合氣溫度，對混合氣的點燃和燃燒有著重要影響，在壓縮比一定時，缸壓的大小主要取決于氣缸的密封性[2]。各缸換裝爆壓火花塞，監(jiān)測各缸爆壓。在故障易復(fù)現(xiàn)的相同溫度點附近，連續(xù)拖動發(fā)動機3～5s，測量4種不同（失效）模式下的缸內(nèi)壓力，具體統(tǒng)計結(jié)果見表1。根據(jù)前期啟動標(biāo)定數(shù)據(jù)，此款發(fā)動機的壓縮比為10，缸壓需在1100kPa以上比較容易啟動，由表1可知，發(fā)動機熱啟動困難時，缸壓正常。

表1　4種不同模式下的缸壓kPa

1.2供油系統(tǒng)壓力

燃油供給系統(tǒng)配置的可燃混合氣，對發(fā)動機在壓縮終了點火燃燒起到關(guān)鍵作用。因此需著重對燃油系統(tǒng)的保壓能力和對噴油器前的油軌處壓力進(jìn)行測試驗證，防止車輛停放一段時間后因供油系統(tǒng)壓力泄漏造成啟動困難。

1）燃油系統(tǒng)管路保壓能力測試

為了排除燃油系統(tǒng)上的個別零部件失效造成熱啟動問題，對故障車上的燃油泵進(jìn)行測試，燃油泵低壓啟動性能、保壓性能均符合要求。同時為了排除燃油系統(tǒng)上的管路密封不嚴(yán)，在調(diào)壓閥和汽油濾清器之間串聯(lián)上燃油壓力表，對進(jìn)油軌前的燃油系統(tǒng)部分保壓能力進(jìn)行測試，發(fā)現(xiàn)剛熄火瞬間的壓力為320kPa，20min后的壓力為270kPa。此測試結(jié)果顯示，燃油系統(tǒng)的保壓符合20min保持80％的壓力這一燃油系統(tǒng)保壓要求。

2）油軌處壓力

在油軌進(jìn)口處安裝精密壓力傳感器，在相同的溫度點附近（故障易復(fù)現(xiàn)的溫度點），保持相同的節(jié)氣門開度，測量3種模式下的油軌壓力。

圖2中（c）與（a）、（b）曲線對比可以看出，啟動時間長的故障發(fā)生時，軌壓數(shù)據(jù)值在正常范圍內(nèi)，無異常；油軌壓力出現(xiàn)和轉(zhuǎn)速對應(yīng)的壓力脈動次數(shù)，證明噴油器有開啟；對于啟動直接相關(guān)的啟動轉(zhuǎn)速[2]240r/min也處于合理范圍。此外，若燃油系統(tǒng)保壓出現(xiàn)問題，冷啟動時，由于發(fā)動機停放的時間更長，冷啟動的啟動困難會更明顯，這進(jìn)一步說明車輛熱啟動困難與燃油供給系統(tǒng)關(guān)聯(lián)不大。

圖2　3種不同模式下的油軌壓力變化

1.3電控信號

在發(fā)動機啟動時，電控系統(tǒng)通過對相關(guān)信號的綜合判斷和計算，確定噴油器的開啟和持續(xù)時間[3]。其中發(fā)動機轉(zhuǎn)速和凸輪軸傳感器用于監(jiān)測曲軸和凸輪軸的瞬態(tài)位置，以滿足ECU決定點火、噴射的定時和脈寬需要[4]。因此對發(fā)動機轉(zhuǎn)速信號（曲軸轉(zhuǎn)速）、凸輪軸及噴油時刻等進(jìn)行采集和分析。

從圖3可以看出，啟動困難時，ES1000設(shè)備實測凸輪軸信號輪下降沿：105，285，465，645；其理論的凸輪軸信號輪下降沿：106，285，466，645；進(jìn)氣相位由于裝配誤差允許偏差±1.5，因此，以上的實測值符合理論值。

圖3　凸輪軸信號PG、轉(zhuǎn)速信號DG、噴油信號EV1

噴油相位理論350，實測354，啟動階段允許噴油相位偏差±10，因此，噴油時刻也正確。同時從圖4的對比可以看出，啟動困難時的點火角和正常啟動時相同，點火時刻正確。

圖4　不同情況下的點火時刻

1.4混合氣

基于以上分析和排查，排除上述零部件及系統(tǒng)等的問題，目前焦點主要集中在混合氣方面。在進(jìn)氣歧管穩(wěn)壓腔安裝LA4（寬氧傳感器），分別在相同的溫度點72℃條件下進(jìn)行啟動測試，保持相同的節(jié)氣門開度，測量空燃比在熱啟動困難和正常啟動過程的變化，如圖5所示。

圖5　不同模式下的啟動過程

由圖5（a）可知，熱啟動困難時間為4.6s，啟動前空燃比為7，而在長達(dá)3.5s時間內(nèi)，轉(zhuǎn)速一直保持200r/min左右。之后空燃比隨轉(zhuǎn)速也下降至3.5左右，且兩者進(jìn)行同步波動，直至啟動成功，空燃比才向2平緩過渡。圖5（b）正常啟動時，啟動時間0.7s，啟動前空燃比為32，空燃比在拖動過程中迅速下降并向2過渡。

可以看出由于啟動前空燃比的不同造成啟動過程中波動變化差異較大，而啟動之前的空燃比表征了新鮮空氣的含量，空燃比越小說明啟動前的新鮮空氣越少，而廢氣越多。

為進(jìn)一步對啟動前空燃比對啟動的影響進(jìn)行確認(rèn)驗證，在不同水溫下做了22次熱啟動。發(fā)現(xiàn)在啟動困難時，啟動之前的進(jìn)氣歧管內(nèi)的空燃比λ偏小。而啟動正常時，啟動之前的進(jìn)氣歧管內(nèi)的λ均在10以上。這表明啟動前進(jìn)氣歧管內(nèi)的氣體狀態(tài)不同造成了熱啟動困難。而啟動前氣體的來源主要為曲軸箱廢氣、進(jìn)入的新鮮空氣及缸內(nèi)廢氣的回流。在斷開曲軸箱通風(fēng)系統(tǒng)的情況下，故障仍然存在，故認(rèn)為缸內(nèi)廢氣的回流造成了熱啟動困難。而冷啟動時，由于停放的時間較長，回流的缸內(nèi)廢氣在較長時間內(nèi)擴(kuò)散到更為廣闊的空間，其所占比例降低，對啟動的影響變小，故冷啟動發(fā)生啟動困難的情況極少。

2　解決措施

基于以上測試分析，在某些情況下停機時有發(fā)動機的殘余廢氣通過氣門系統(tǒng)的間隙滯留在進(jìn)氣管道中。由于熱機啟動時啟動間隔時間較短，殘余廢氣無法得到有效的釋放，造成再次啟動時的啟動困難。為了保證在啟動時進(jìn)氣歧管內(nèi)充滿足夠的新鮮空氣，從標(biāo)定上更改發(fā)動機停機控制策略，增加停機后電子節(jié)氣門開啟時間和開度控制，避免發(fā)動機回氣在進(jìn)氣歧管和進(jìn)氣系統(tǒng)的滯留現(xiàn)象發(fā)生。驗證效果良好，偶發(fā)的熱啟動困難現(xiàn)象沒有再出現(xiàn)。

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收稿日期：2015?09?10 2015?09?25

文章編號：1002-4581（2016）01-0040-03 1002-4581（2016）01-0043-04

中圖分類號：U466 U464.142

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A A

DOI：10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.011 10.14175/j.issn.1002-4581.2016.01.012