懸置雙頭螺柱失效分析

楊鴻智，張 博，蒯 振Yang Hongzhi，Zhang Bo，Kuai Zhen

懸置雙頭螺柱失效分析

楊鴻智，張 博，蒯 振
Yang Hongzhi，Zhang Bo，Kuai Zhen

（北京新能源汽車股份有限公司工程研究院，北京 100176）

某車型的左懸置與支架連接的雙頭螺柱在試驗過程中發(fā)生斷裂，其材料是42CrMo，強度等級為10.9級，依次對其進行宏觀形貌分析、微觀形貌分析、金相檢查、化學成分分析和力學性能檢查。結(jié)果顯示，雙頭螺柱在長期交變應(yīng)力作用下產(chǎn)生了微裂紋，最終發(fā)生疲勞斷裂。斷裂原因是螺柱生產(chǎn)工藝順序不當，先加工螺紋后進行調(diào)質(zhì)處理使牙底的疲勞強度不足。

雙頭螺柱；失效分析；疲勞斷裂

緊固件是一種用途極為廣泛的機械基礎(chǔ)類零部件，在汽車中很常見。使用過程中，緊固件經(jīng)常發(fā)生失效，原因多數(shù)為疲勞斷裂，其他為過載斷裂、應(yīng)力腐蝕開裂、氫脆等。某車型發(fā)動機的左懸置與支架連接的雙頭螺柱在臺架試驗中發(fā)生斷裂，通過宏觀形貌分析、微觀形貌分析、金相檢查、化學成分分析和力學性能檢查，找到雙頭螺柱斷裂的主要原因，提出改善預(yù)防措施[1-2]。

1 緊固件失效分析

從以下幾個方面對失效緊固件進行分析。

（1）現(xiàn)場勘查，這是整個失效分析工作的基礎(chǔ)和前提，一般以失效現(xiàn)場為出發(fā)點，通過觀察和現(xiàn)場試驗等手段，全面、系統(tǒng)、客觀地收集失效對象、失效現(xiàn)象和失效環(huán)境等失效信息。

（2）宏觀形貌分析，利用肉眼、放大鏡或體式顯微鏡等對失效樣品和其他相關(guān)零部件進行觀察，通過觀察斷口、磨損、腐蝕形貌特征或裂紋分布形態(tài)，結(jié)合失效樣品的使用狀況，找到失效起始位置（斷裂源）。

（3）微觀形貌分析，采用帶有能譜儀附件的SEM（Scanning Electron Microscope，掃描電子顯微鏡）研究失效微觀形貌（尤其是斷口形貌）。

（4）金相檢查，按照測試倍數(shù)的大小將其分為低倍檢查和高倍檢查，這也是大多數(shù)失效分析中的標準步驟。

（5）化學成分分析，在日常生產(chǎn)檢驗和失效分析中，其占有重要的地位，屬于試驗室例行試驗檢測項目。對失效構(gòu)件進行化學成分分析，可以判斷構(gòu)件選材是否合理，所選材料是否符合國家相關(guān)標準；通常，選材錯誤很可能導致構(gòu)件失效，但化學成分超標不一定是構(gòu)件失效的根本原因。

（6）力學性能檢查，包括強度、塑性、沖擊韌性、硬度、耐磨性、疲勞強度、斷裂韌度、應(yīng)力腐蝕開裂傾向等方面。

2 理化檢驗

2.1 宏觀形貌分析

圖1為斷裂螺柱樣件及斷口的宏觀形貌，5#為首斷件，對應(yīng)懸置支架最上面的安裝孔。斷口經(jīng)清洗后表面浮銹清除，使用體式顯微鏡觀察，如圖1（c）～（e）所示，發(fā)現(xiàn)為疲勞斷口，有明顯的疲勞弧線（也稱貝紋線），斷口可分為3個區(qū)域：斷裂源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)。裂紋擴展方向是從下到上（左側(cè)箭頭所示），裂紋源位于斷口的邊緣（底部），疲勞擴展區(qū)所占面積最大，最上方為面積最小的瞬斷區(qū)。由于雙頭螺柱4#、5#、6#斷口形貌為同一類型，斷口形貌均呈現(xiàn)同樣特征，所以只對5#斷口進行詳細SEM分析。

2.2 微觀形貌分析

將螺柱斷口試樣放入SEM（ZEISS EVO 10）觀察，斷口分為3個區(qū)域，如圖2所示，A、B、C 3個位置分別為斷裂源區(qū)、擴展區(qū)和瞬斷區(qū)的取樣點。斷裂源區(qū)A的微觀形貌如圖3所示，光滑、平整，由反復擠壓而造成；疲勞擴展區(qū)B的微觀形貌如圖4所示，可觀察到疲勞條帶，這是疲勞斷裂的重要特征；瞬斷區(qū)C的微觀形貌如圖5所示，這是螺柱最后斷裂的部分，隨著裂紋擴展，零件有效面積減少，應(yīng)力不斷增大，最后大于材料破壞強度，發(fā)生快速斷裂，瞬斷區(qū)為韌窩斷口形貌[3]。

圖2 雙頭螺柱宏觀斷口

圖3 5#斷口的裂紋源區(qū)A微觀形貌（光滑、平整）

圖4 5#斷口的裂紋擴展區(qū)B微觀形貌（疲勞條帶）

圖5 5#斷口的瞬斷區(qū)C微觀形貌（韌窩）

2.3 化學成分分析

在斷裂螺柱上取樣進行化學成分檢測，結(jié)果見表1，各化學成分符合GB/T 3077—2015中關(guān)于42CrMo的技術(shù)要求[4]。

表1 斷裂螺柱化學成分（質(zhì)量分數(shù)）

2.4 晶相檢查

對斷裂的螺柱進行晶相試驗，斷口附近螺牙底部發(fā)現(xiàn)裂紋，如圖6所示；螺紋未發(fā)現(xiàn)脫碳，螺紋附近未發(fā)現(xiàn)粗大夾雜物，如圖7所示；基體金相是回火索氏體，組織正常，如圖8所示。

圖6 雙頭螺柱牙底裂紋

圖7 雙頭螺柱脫碳檢查

圖8 雙頭螺柱基體金相

2.5 硬度檢測

在斷裂螺柱上取樣進行維氏硬度（HV1）檢測，結(jié)果見表2，均符合標準要求。

表2 斷裂螺柱硬度

3 改進措施及效果驗證

改進前供應(yīng)商的工藝流程是熱軋盤條→冷拔→球化退火→除磷→酸洗→冷拔→冷鍛成型→螺紋加工→除磷→淬火→清洗→高溫回火→水冷→烘干→噴油→表面處理→質(zhì)量檢查，改進后為先進行調(diào)質(zhì)處理，再滾壓螺紋。改進后不僅有效避免螺紋表面脫碳，還增加了牙底的殘余壓應(yīng)力，提高了疲勞壽命。將供應(yīng)廠采用新工藝生產(chǎn)的雙頭螺柱進行臺架試驗，樣件未發(fā)生斷裂。圖9為新工藝生產(chǎn)的雙頭螺柱牙底晶相，牙底光滑無微裂紋（牙頂黑色的線條是殘留的拋光膏）。

圖9 新工藝生產(chǎn)的雙頭螺柱牙底晶相

4 結(jié)論及建議

通過以上分析，得出如下結(jié)論：

（1）雙頭螺柱化學成分、金相組織和硬度符合標準要求。

（2）雙頭螺柱斷口的SEM分析顯示，斷口分為3個區(qū)域：①裂紋源區(qū)光滑、平整；②疲勞擴展區(qū)可觀察到疲勞條帶；③瞬斷區(qū)為韌窩斷口形貌。

（3）根據(jù)以上分析，可以確認雙頭螺柱為疲勞斷裂。螺柱在長期服役過程中，搭接面處螺紋應(yīng)力高于螺柱其余部位，此區(qū)域螺牙底部首先形成微裂紋，在交變應(yīng)力作用下，裂紋緩慢擴展形成疲勞擴展區(qū)；隨著裂紋擴展，零件有效面積減少，應(yīng)力不斷增大超過材料破壞強度，發(fā)生快速斷裂。

（4）進行工藝改進處理，先進行調(diào)質(zhì)再滾壓螺紋，不僅有效避免螺紋表面脫碳，還可以增加牙底的殘余壓應(yīng)力，提高疲勞壽命。改進后，臺架試驗中雙頭螺柱未發(fā)生過斷裂。

[1]陶春虎. 緊固件的失效分析及其預(yù)防[M].北京：航空工業(yè)出版社，2013.

[2]柴之龍, 李文平. 連接螺栓斷裂失效分析[C]//中國汽車工程學會.汽車材料分會學術(shù)年會論文集. 中國汽車工程學會，2013.

[3]胡春燕, 姜濤, 劉新靈. 某鋼制螺釘斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理, 2014, 39(2):4.

[4]中華人民共和國國家質(zhì)量監(jiān)督檢驗檢疫總局,中國國家標準化管理委員會.合金結(jié)構(gòu)鋼:GB/T 3077-2015[S]. 北京：中國國家標準出版社，2016.

2021-08-04

1002-4581（2021）06-0022-04

U463.33+5.06

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2021.06.007