鋼板彈簧中心螺栓斷裂原因分析

李云霞，周愛兵

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司山東分公司，山東 青島266555）

鋼板彈簧是汽車懸架中應(yīng)用最廣泛的一種彈性元件，起到減震和導(dǎo)向作用，中心螺栓用于連接鋼板彈簧各彈簧片，并保證裝配時(shí)各片的相對(duì)位置。在裝配現(xiàn)場(chǎng)，偶發(fā)一例鋼板彈簧中心螺栓斷裂的情形，斷裂螺栓的安裝位置如圖1所示。該螺栓圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求為45#鋼調(diào)質(zhì)處理，硬度248~302 HB，螺栓規(guī)格M6mm×12 mm.通過對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)，分析其斷裂的原因。

圖1 斷裂螺栓的安裝位置

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

螺栓斷口的宏觀形貌如圖2所示，從樣品宏觀照片可以看出，螺栓斷列于螺栓頭根部（螺栓頭已經(jīng)在現(xiàn)場(chǎng)遺失），斷裂前螺栓無塑性變形，斷口呈金屬光澤，斷裂面呈河流花樣，沿箭頭方向呈放射線發(fā)散狀，由此判斷該斷裂為脆性斷裂，放射線的收斂處為斷裂的起源位置。

圖2 斷裂螺栓的宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

沿?cái)嗔崖菟ǖ臋M截面切取試樣，利用臺(tái)式直讀光譜儀進(jìn)行基體材料的化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1.可見斷裂螺栓的化學(xué)成分不符合GB/T3077-1999[1]對(duì)45#鋼的要求，實(shí)際為低碳鋼，碳含量的減少降低了螺栓的機(jī)械性能。

表1 斷裂螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）

1.3 硬度測(cè)試

在螺栓的橫截面截取試樣，使用數(shù)顯布氏硬度計(jì)對(duì)其進(jìn)行硬度測(cè)試，測(cè)試結(jié)果為156~158 HBW2.5/187.5，圖紙要求硬度為248~302 HB，測(cè)試結(jié)果不符合圖紙?jiān)O(shè)計(jì)要求，硬度過低，使得螺栓的強(qiáng)度較低。

1.4 金相檢驗(yàn)

在斷裂螺栓的縱截面截取金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后，置于光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)含有較多的氧化物、硅酸鹽、硫化物等非金屬夾雜物，如圖3.大量非金屬夾雜物的存在，會(huì)明顯降低材料的韌性。

圖3 斷裂螺栓拋光態(tài)形貌

用體積分?jǐn)?shù)4%的硝酸酒精溶液浸蝕試樣，置于光學(xué)顯微鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)其金相組織為鐵素體+珠光體，如圖4，說明該螺栓未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理，不符合圖紙要求。

圖4 基體顯微組織形貌

1.5 斷口分析

將螺栓的斷口清洗干凈后，使用掃描電鏡（SEM）進(jìn)行觀察，斷口擴(kuò)展區(qū)斷裂形貌呈解理花樣，證明了該螺栓是脆性斷裂。裂紋源區(qū)斷口形貌見圖5.圖5（a）箭頭所指位置有個(gè)較大的顆粒嵌在其中，其尺寸約為80 μm ×20 μm，且其導(dǎo)電性較差，疑為非金屬夾雜物，圖5（c）箭頭所指位置亦疑為非金屬夾雜物。

圖5 斷口的微觀形貌

使用能譜分析儀分別對(duì)圖5（b）大塊夾雜物和圖5（c）裂紋源附近夾雜物進(jìn)行能譜分析，以確定夾雜物的成分，分析結(jié)果見圖6和圖7.

圖6 大塊夾雜物能譜分析結(jié)果

圖7 裂紋源附近夾雜物能譜分析結(jié)果

通過此兩處的成分分析結(jié)果可以看出，夾雜物中氧、硅、錳、鐵、碳等元素含量比較高，此夾雜可能含有硅酸鹽、氧化物、硫化物等夾雜物，這表明在裂紋源周圍存在的較多的大尺寸非金屬夾雜物，降低了工件的強(qiáng)度，是引發(fā)失效的潛在原因。

2 分析與討論

上述理化檢驗(yàn)結(jié)果表明，斷裂螺栓的化學(xué)成分不符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45#鋼的技術(shù)要求，硬度低于技術(shù)要求，金相組織也不符合調(diào)質(zhì)處理工藝要求[2]。

調(diào)質(zhì)處理是指淬火加高溫回火的雙重?zé)崽幚矸椒?，調(diào)質(zhì)處理后得到回火索氏體。調(diào)質(zhì)處理的目的是使工件具有良好的綜合機(jī)械性能。45#鋼淬火后的高溫回火，加熱溫度通常為560~600℃，硬度為HRC22~34.因?yàn)檎{(diào)質(zhì)的目的是得到綜合機(jī)械性能，所以硬度范圍比較寬，但圖紙有硬度要求的，就要按圖紙要求調(diào)整回火溫度，以保證硬度。

斷口分析結(jié)果顯示，螺栓斷口無明顯塑性變形，呈脆性斷裂特征，斷口周圍存在大量的非金屬夾雜物[3]。

非金屬夾雜物按照化學(xué)成分分為氧化物系夾雜物、硫化物系夾雜物和氮化物系夾雜物。硫化物的危害有：一降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能；二降低了鋼的耐腐蝕性。氧化物和硅酸鹽的危害有：一方面使鋼的橫向力學(xué)性能惡化；另一方面使鋼的切削加工性能下降，從而降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。氮化物會(huì)使鋼的脆性明顯增加。

非金屬夾雜物的存在，使鋼在加工變形時(shí)其金屬基本的連續(xù)性被破壞，鋼的力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能以及工藝性能就會(huì)降低。非金屬夾雜物導(dǎo)致應(yīng)力集中，引起斷裂；數(shù)量多且分布不均勻的夾雜物會(huì)明顯降低鋼的塑性、韌性、焊接性能以及耐腐蝕性等。

3 結(jié)論及建議

螺栓斷裂是由于使用了含有大量非金屬夾雜物的不合格的材料加上未經(jīng)熱處理所致。建議送檢同類螺栓，以排除隱患；同時(shí)要加強(qiáng)供應(yīng)商質(zhì)量管理，將螺栓材料化學(xué)成分和熱處理工藝控制在標(biāo)準(zhǔn)要求范圍內(nèi)。