汽車輪胎螺栓失效分析

金雙峰

（中機(jī)生產(chǎn)力促進(jìn)中心， 北京 100044）

0 引言

在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，高強(qiáng)度緊固件的采用越來(lái)越多，酸洗是緊固件生產(chǎn)工藝的重要一環(huán)，要控制好酸洗工序，特別強(qiáng)調(diào)禁止用強(qiáng)酸進(jìn)行酸洗， 而采用弱酸酸洗或者用噴丸處理替代。 酸洗不當(dāng)，特別是材料表面有缺陷，可能產(chǎn)生局部腐蝕，形成腐蝕坑，滲氫等。

某斷裂汽車輪胎螺栓，螺栓材質(zhì)：40Cr（GB/T 3077），規(guī)格型號(hào)M20×1.5×L-10.9，機(jī)械性能要求：GB/T 3098.1。螺栓生產(chǎn)工藝流程： 原材料—球化退火—酸洗—拉絲—冷鐓—滾絲—熱處理—拋丸—表面處理—包裝。 在車輛行駛過(guò)程中，后橋（驅(qū)動(dòng)橋）輪胎螺栓發(fā)生斷裂，平均故障里程7800km，載重7t 左右。

1 檢驗(yàn)分析

1.1 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂螺栓按照GB/T 20123—2006、GB/T 4336—2016，使用光譜儀等進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見(jiàn)表1，

表1 螺栓試樣的化學(xué)成分（Wt%）

螺栓材質(zhì)中的Si 元素低于GB/T 3077—2015 中40Cr 對(duì)Si 元素的要求。 但根據(jù)GB/T 222—2006 規(guī)定的鋼的成品化學(xué)成分允許偏差，Si≤0.37 時(shí)，下偏差是0.03，所以按本標(biāo)準(zhǔn)Si 的含量也是合格的。

1.2 斷口宏觀分析

斷裂螺栓的外觀形貌見(jiàn)圖1，螺栓斷裂于圖中箭頭所指的螺紋根部，斷口無(wú)明顯塑性變形。斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2，裂紋源位于圖中下方邊緣，擴(kuò)展區(qū)比較平整、光滑，有疲勞弧線，瞬斷區(qū)約占斷面的三分之一，說(shuō)明螺栓斷裂過(guò)程中受到的應(yīng)力較大。

圖1 斷裂螺栓外觀

圖2 斷口宏觀形貌

1.3 斷口掃描電鏡分析

截取斷口清洗后， 置于掃描電鏡下觀察斷口形貌， 圖3為源區(qū)形貌， 裂紋源有多個(gè)剪切臺(tái)階，為多源特征。裂紋源有大量腐蝕凹坑，圖中箭頭所指，將凹坑放大見(jiàn)圖4。 擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)疲勞條帶（見(jiàn)圖5），圖6 為瞬斷區(qū)，韌窩形貌。

圖3 源區(qū)形貌

圖4 凹坑

圖5 擴(kuò)展區(qū)

圖6 瞬斷區(qū)

1.4 夾雜

截取裂紋源位置的縱截面金相試樣，在光學(xué)顯微鏡下觀察，斷裂螺栓材料的非金屬夾雜，按GB/T 10561—2005評(píng)定，主要為C 類（硅酸鹽類）2e，D 類（環(huán)狀氧化物類）夾雜2e，DS 類（單顆粒球狀類）0.5 級(jí)，見(jiàn)圖7。

圖7 螺栓材料中的非金屬夾雜

1.5 斷口金相

斷口位置金相試樣經(jīng)浸蝕后的顯微組織形貌，見(jiàn)圖8，斷裂發(fā)生在螺紋牙底，裂紋源及相鄰螺紋牙底，螺紋表面及螺紋桿部都存在凹坑，凹坑里存在黑色物質(zhì)，和表面鍍層形貌相似。凹坑分布在亞表面和表面，呈口小肚子大的形狀。 通過(guò)能譜分析（見(jiàn)圖10～圖11，表2），凹坑里的物質(zhì)有Zn 元素，因此推斷凹坑是在表面鍍鋅工序之前就存在了。 螺栓基體的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體+少量貝氏體+少量碳化物（見(jiàn)圖12）。

表2 凹坑內(nèi)物質(zhì)的EDS 成分（Wt%）

圖8 裂紋源位置斷口金相（浸蝕后）

圖9 桿部凹坑

圖10 能譜位置

圖11 譜圖

圖12 螺栓金相組織

1.6 脫碳

按照GB/T 3098.1—2010 使用金相法對(duì)斷裂螺栓檢測(cè)脫碳層，H1=0.80mm，E=0.65mm， G=0.001mm，所以斷裂螺栓的未脫碳層的高度E、G 滿足GB/T 3098.1—2010 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定的技術(shù)要求。

1.7 硬度

在螺栓的二分之一半徑與軸心線間的區(qū)域內(nèi)測(cè)定三點(diǎn)硬度，見(jiàn)表3，滿足GB/T 3098.1—2010 對(duì)10.9 級(jí)螺栓的要求值。

表3 硬度

2 分析

化學(xué)成分分析結(jié)果表明螺栓的化學(xué)成分中的Si 元素低于GB/T 3077—2015 中40Cr 對(duì)Si 元素的要求，但根據(jù)GB/T 222—2006 規(guī)定的鋼的成品化學(xué)成分允許偏差判斷Si 的含量也是合格的。

螺栓的硬度平均值為345HV， 滿足GB/T 3098.1—2010 對(duì)10.9 級(jí)螺栓的要求值。

螺栓材料的非金屬夾雜， 按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561—2005 評(píng)定，主要為C 類：2e，D 類：夾雜2e，DS：0.5 級(jí)，但斷口未見(jiàn)明顯夾雜。

螺栓螺紋脫碳層的E、G 值滿足GB/T 3098.1—2010的要求。

螺栓基體的金相組織為回火索氏體+少量鐵素體+少量貝氏體+少量碳化物。

斷口微觀觀察螺栓裂紋源區(qū)域存在多個(gè)腐蝕凹坑，通過(guò)能譜分析凹坑里含有Zn 元素，所以推測(cè)凹坑是在鍍鋅工序之前就存在的。通過(guò)金相分析斷口裂紋源，螺紋牙頂、螺紋牙底以及桿部都存在凹坑，凹坑分布在亞表面和表面，呈“口小肚子大”的特點(diǎn)，所以推斷原材料存在小折疊或小裂紋， 酸洗后折疊缺陷中有未清洗干凈的殘酸存在，后續(xù)殘酸在缺陷根部繼續(xù)腐蝕，形成這種“口小肚子大”的典型酸洗缺陷特征。

所以螺栓在服役過(guò)程中， 螺栓受力從螺紋牙底應(yīng)力集中的凹坑處萌生裂紋源，并不斷擴(kuò)展，當(dāng)螺栓剩余面積承受不了載荷時(shí)， 螺栓瞬時(shí)斷裂， 從螺栓瞬斷區(qū)面積較大，可見(jiàn)螺栓斷裂時(shí)受到的應(yīng)力較大。螺栓的非金屬夾雜含量較多，會(huì)降低螺栓的疲勞壽命。

3 結(jié)論

螺栓的化學(xué)成分合格。

螺栓的硬度滿足GB/T 3098.1—2010 的要求。

螺栓螺紋的脫碳層E、G 值符合GB/T 3098.1—2010 的要求。

螺栓屬于疲勞斷裂， 螺栓原材料表面的小折疊或小裂紋缺陷由于酸洗形成腐蝕坑，螺栓在服役過(guò)程中，由于受到較大應(yīng)力，從應(yīng)力集中的螺紋牙底腐蝕坑萌生裂紋，裂紋不斷擴(kuò)展，直至斷裂。

螺栓材料的非金屬夾雜含量較多， 會(huì)降低螺栓的疲勞壽命。

建議加強(qiáng)原材料來(lái)料檢查， 改進(jìn)酸洗工序或替代酸洗，加強(qiáng)酸洗后的檢驗(yàn)。