汽車用高強(qiáng)螺栓斷裂分析

馬 成，王立輝，宋 月，孫江歡，孫 巖，孫 力

（1.河鋼集團(tuán)鋼研總院，河北050000；2.河北科技大學(xué)，河北050018）

0 引言

40Cr 屬于低合金中碳結(jié)構(gòu)鋼，其淬透性比較好，在經(jīng)過(guò)合適的淬火-回火處理（即調(diào)質(zhì)處理）過(guò)程后，具有較高的強(qiáng)度和良好的塑、韌性，具有較低的缺口敏感性和較高的疲勞強(qiáng)度[1]，綜合機(jī)械性能佳。因而被廣泛應(yīng)用于制造齒輪、套筒、傳動(dòng)部件及螺栓等機(jī)械、車輛中承受復(fù)雜載荷的關(guān)鍵零部件，螺栓作為重要的連接件，廣泛應(yīng)用于汽車制造的各個(gè)部件。通過(guò)輕量化降低成本與能耗是汽車工業(yè)最緊迫的任務(wù)之一，擴(kuò)大高強(qiáng)螺栓的應(yīng)用范圍不僅可以降低螺栓自重，還可以使螺栓連接的部件尺寸、重量降低，從而達(dá)到車輛整體輕量化的目的。

某高強(qiáng)鋼制六角法蘭面螺栓材料為40Cr，尺寸規(guī)格為M12，強(qiáng)度等級(jí)為10.9 級(jí)，應(yīng)用于某廠試制的汽車懸架發(fā)生斷裂，斷裂位置在螺紋處。本文對(duì)螺栓斷裂件與同批次螺栓進(jìn)行了對(duì)比分析，確定了該高強(qiáng)螺栓失效形式與原因，為之后預(yù)防類似事故再次發(fā)生提供理論依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)材料及方法

1.1 實(shí)驗(yàn)材料

本文所用的斷裂螺栓與同批次全新未使用過(guò)的螺栓材質(zhì)為40Cr。

1.2 實(shí)驗(yàn)方法

（1）將斷裂螺栓置于無(wú)水乙醇中進(jìn)行超聲清洗10 分鐘，吹干后，利用場(chǎng)發(fā)射掃描電子顯微鏡對(duì)斷口表面進(jìn)行微觀形貌觀察。然后沿?cái)嗔崖菟ǖ臋M截面采用線切割切取試樣，經(jīng)過(guò)水磨砂紙打磨后，通過(guò)直讀光譜儀進(jìn)行基體材料的化學(xué)成分分析。

（2）取斷裂螺栓與同批次全新未使用過(guò)的螺栓，切取縱向試樣，鑲嵌后經(jīng)水磨砂紙打磨，用1.5 μm 金剛石噴霧進(jìn)行拋光，并用硝酸酒精溶液進(jìn)行蝕刻后，在純水和乙醇中清洗并吹干。利用光學(xué)顯微鏡對(duì)螺栓縱向試樣的顯微組織與脫碳層深度進(jìn)行觀察和分析。

（3）對(duì)金相試樣樣品采用Wilson-Tukon 2500 Minuteman 全自動(dòng)硬度計(jì)進(jìn)行了洛氏硬度的測(cè)量。

2 結(jié)果與討論

2.1 螺栓成分

將該斷裂螺栓化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果與GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中對(duì)于40Cr 合金鋼的成分要求，以及GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能》中對(duì)10.9 級(jí)螺栓的成分要求進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表1所示。由表1 可知其化學(xué)成分均在標(biāo)準(zhǔn)范圍內(nèi)，符合上述兩個(gè)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。

2.2 斷口形貌

表1 實(shí)測(cè)螺栓成分與國(guó)標(biāo)成分對(duì)比

將清洗過(guò)后的樣品置于掃描電鏡下觀察，斷口整體形貌如圖1 所示。斷裂面與軸向基本呈垂直，根據(jù)斷口形貌可以將其分為裂紋源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)。

（1）對(duì)裂紋源區(qū)域紅色方框內(nèi)的部分放大進(jìn)行觀察，如圖2（a）所示，可以看到解理臺(tái)階和垂直于斷裂面的二次裂紋。由于裂紋源區(qū)在裂紋萌生之后、螺栓斷裂之前的服役過(guò)程中不斷經(jīng)受疲勞導(dǎo)致的摩擦，其微觀特征未保留，因而無(wú)法找到裂紋起源的具體位置。

（2）對(duì)裂紋擴(kuò)展區(qū)觀察可以看到明顯的放射狀花紋，為準(zhǔn)解理斷裂，如圖2（b）所示。

雖然我國(guó)已經(jīng)成為了網(wǎng)絡(luò)大國(guó)，但還不是網(wǎng)絡(luò)強(qiáng)國(guó)，在網(wǎng)絡(luò)安全方面面臨著嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。網(wǎng)絡(luò)安全事關(guān)國(guó)家安全的重大戰(zhàn)略問(wèn)題，沒(méi)有網(wǎng)絡(luò)安全就沒(méi)有國(guó)家安全。我國(guó)的網(wǎng)絡(luò)安全和信息化領(lǐng)導(dǎo)體制曾幾經(jīng)調(diào)整，但以前都沒(méi)有上升到國(guó)家最高層面。隨著網(wǎng)絡(luò)安全和信息化在國(guó)家安全與發(fā)展中的地位與作用不斷提升，客觀上也要求把網(wǎng)絡(luò)安全和信息化作為國(guó)家的重大戰(zhàn)略。

（3）通過(guò)圖1 可以看出，瞬斷區(qū)斷裂形貌主要為韌窩型，其斷裂原理主要為微孔聚集斷裂[2]。在螺紋邊緣有剪切唇的存在。瞬斷區(qū)占整個(gè)斷口的面積比較小，說(shuō)明所受疲勞應(yīng)力較小[3]。這可能是因?yàn)殡S著疲勞裂紋不斷擴(kuò)展，螺栓產(chǎn)生了一定的開(kāi)裂位移，導(dǎo)致施加在開(kāi)裂螺栓上的徑向力得到了一定的松弛釋放。

圖1 斷口整體形貌

圖2 斷口局部形貌

2.3 微觀組織

2.3.1 金相組織觀察

對(duì)斷裂螺栓和同批次未使用的全新螺栓分別進(jìn)行了金相組織觀察，結(jié)果如圖3 所示，斷裂螺栓與全新未使用螺栓的微觀組織形貌大致相同，說(shuō)明斷裂螺栓熱處理過(guò)程與其他螺栓一致。

由圖3 可見(jiàn)，在剖面上未觀察到有害的帶狀組織，也未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的夾雜等冶金缺陷。部分滲碳體呈粒狀沿原板條馬氏體邊界分布，基體組織均為均勻、細(xì)小的保持馬氏體位相的回火索氏體[4]，這是由于40Cr 合金鋼在淬火后回火，溫度在550 ℃左右時(shí)，馬氏體發(fā)生分解而鐵素體相仍保持原針狀，并未全部轉(zhuǎn)化為等軸鐵素體[5]。對(duì)于珠光體、索氏體等具備片層結(jié)構(gòu)的組織，其斷裂強(qiáng)度隨片層間距的縮小而增大，這是由于片間距較小時(shí)鐵素體和滲碳體相界面的密度越大，導(dǎo)致位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力增加，具有較高的硬度和強(qiáng)度[6]。這也與40Cr 調(diào)質(zhì)鋼螺栓制造時(shí)的熱處理工藝相符。

2.3.2 脫碳層觀察

對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了脫碳層觀察，如圖4 所示。發(fā)現(xiàn)在螺牙頂部脫碳層較厚，最高達(dá)到約20 μm，而螺牙中部及螺牙根部較薄，中部約為6～10 μm，根部約為2～6 μm。根據(jù)金相結(jié)果，統(tǒng)計(jì)并計(jì)算出了斷裂及未斷裂螺栓螺牙頂部、中部及根部各5 個(gè)不同位置脫碳層平均厚度，如表2 所示。

圖3 螺栓縱剖面的金相組織觀察

圖4 斷裂螺栓螺牙中部與根部脫碳層形貌

圖5 螺牙近底部的加工缺陷

表2 斷裂螺栓及未斷裂螺栓不同位置脫碳層平均厚度

表3 螺栓縱剖面的洛氏硬度 /HRC

2.2.3 低倍顯微鏡觀察

對(duì)斷裂螺栓縱剖面在金相顯微鏡下詳細(xì)觀察，在螺牙的中部靠近根部位置，發(fā)現(xiàn)了5 處凹入的加工缺陷，在圖5 中用紅色圈出。由圖5 可知，其深度為6～15 μm 不等，但未觀察到微裂紋與晶間氧化。而在全新螺栓上未觀察到此類加工缺陷。

螺紋表面，尤其是螺牙近底部承受載荷關(guān)鍵區(qū)域的加工缺陷，在服役過(guò)程中承受復(fù)雜的工作應(yīng)力情況下，容易造成應(yīng)力集中，誘發(fā)裂紋萌生過(guò)程并產(chǎn)生微裂紋。而隨著服役過(guò)程不斷承受交變載荷，裂紋源位置的微裂紋不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了螺栓發(fā)生疲勞斷裂失效。

2.4 機(jī)械性能分析

2.4.1 洛氏硬度分析

對(duì)斷裂螺栓和同批次全新未使用螺栓進(jìn)行了洛氏硬度分析，結(jié)果如表3 所示，斷裂螺栓與全新未使用螺栓的洛氏硬度基本相當(dāng)，且螺栓整體的硬度分布較為均勻。

將測(cè)試得到的硬度與根據(jù)GB/T 3098.1 中所規(guī)定的10.9 級(jí)螺栓洛氏硬度進(jìn)行對(duì)比，可知測(cè)試得到的硬度均落在國(guó)標(biāo)規(guī)定的32～39 HRC 之間，略接近于規(guī)定下限。

2.4.2 抗拉強(qiáng)度分析

由于螺栓尺寸較小，不足以完成拉伸強(qiáng)度試驗(yàn)，因而按照GB/T 1172-1999 的規(guī)定，將硬度值換算成強(qiáng)度值。對(duì)于Cr 合金鋼，硬度為33.0 HRC 時(shí)，可換算為抗拉強(qiáng)度1 022 MPa，略低于GB/T 3098.1中對(duì)10.9 級(jí)螺栓最低抗拉強(qiáng)度1 040 MPa 的要求。但由于換算過(guò)程本身即為粗略估算，且硬度已達(dá)標(biāo)，故不能得出螺栓力學(xué)性能不合格的結(jié)論。

3 結(jié)語(yǔ)

根據(jù)以上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析，該螺栓屬于疲勞斷裂。從金相分析可以得出，螺栓材質(zhì)的金相微觀組織正常，無(wú)明顯的冶金缺陷，且螺紋表層部分無(wú)明顯脫碳。從硬度、成分等方面分析，螺栓也處于國(guó)標(biāo)規(guī)定的合格范圍內(nèi)。分析最終認(rèn)為，螺栓加工過(guò)程中造成的個(gè)別螺牙側(cè)面近底部位置的部分加工缺陷，是導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)疲勞斷裂的主要原因。這是由于在交變應(yīng)力作用下導(dǎo)致缺陷處應(yīng)力集中，進(jìn)而誘發(fā)裂紋在缺陷處萌生并產(chǎn)生微裂紋，隨著微裂紋的不斷擴(kuò)展，最終導(dǎo)致了螺栓發(fā)生斷裂失效。