|
导读 作者：李羽洁1，2 ，张凤格1，2 ，朱雅芝1，2 ，李扬洲1，2 ，王瑄1，2 ，黄思为1，3 ( 1． 成都产品质量检验研究院有限责任公司，四川 成都 610000; 2． 国家汽车零部件产品质量监督检验中心 ( 四川) ( 筹) ，四川 成都 610100; 3． 国家新材料测试评价平台( 四川区域中心) ，四川 成都 610000) 来源：《热处理技术与装备》2020年10月 摘要：针对某汽车公司在现场装配校验拧紧时发生的断裂问题，使用金相显微镜、扫描电镜、能谱 仪等进行分析。结果表明: 从断裂螺栓陈旧断口的宏观、微观形貌以及能谱元素分析结果确定螺栓 断裂发生在表面处理之前，为淬火裂纹，裂纹源于螺纹牙根处，并从轴向扩展开始，转为横向，最终在 校验拧紧时发生一次性断裂。 螺栓类零件作为应用最为广泛的紧固连接 件［1］，在汽车行业也具有重要的地位。某汽车公司 用前支柱总成固定螺栓为 M10 × 1． 25，性能等级为 9． 8 级，材料为 40Cr。在现场装配时先用风枪拧紧， 后用力矩扳手校验，校验力矩为 45 Nm，校验时发生 断裂，且一个班次发现 2 例。为了分析螺栓的断裂 原因，取其中一个断口螺栓进行分析，已确认螺栓尺 寸正确且装配现场没有误用。 高强度螺栓一般的加工工艺为［2］: 热轧盘条( 冷 拔) →球化退火→机械除磷→酸洗→冷拔→冷锻成 型→螺纹加工→热处理→表面处理。 1 理化分析 1． 1 宏观断口
采用体式显微镜对断裂螺栓头部和杆部进行宏 观断口观察，见图 1、2。A 面灰色为新断口，占失效 面的 1 /3，应该是在装配现场校验力矩时扭断形成。B 面黑色、带有红色斑点的为旧断口，占失效面 2 /3， 由纵向裂纹和横向裂纹两部分组成。螺栓杆部表面 可见裂纹延伸，裂纹在应力易集中的牙根处扩展，形 成裂纹棱角线较强的裂纹形态。 1． 2 金相分析 根据《GB /T 13320—2007 钢质模锻件 金相组织 评级图及评定方法》《GB /T 3098． 1—2010 紧固件机 械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对断裂螺栓进行热处理 金相组织检测。结果表明断裂螺栓心部金相组织为 回火索氏体 1 级，见图 3，符合标准和技术要求。
1． 3 硬度检测 根据《GB /T 230． 1—2009 金属材料 洛氏硬度试 验》及螺栓硬度为 32 ～ 39 HＲC 的技术要求，对断裂 螺栓心部进行硬度检测，硬度为 35 HＲC。结果表明 断裂螺栓符合技术要求。 2 断口形貌分析 将断裂螺栓分别放置在装有丙酮溶液的烧杯 中，用超声波清洗机进行清洗，干燥后，放入扫描电 镜中进行断口观察。 2． 1 红色斑点成分 图 4 ( a) 为断裂螺栓杆部断口宏观形貌，可见 红色锈蚀产物和白色结晶物。将其放置在扫描电镜 下进行形貌观察、分析。图 4 ( b) 为旧断口黑色部分 形貌，可见一层“地衣”形态的氧化物包裹晶粒，呈典 型的氧化形貌。 对氧化物进行能谱分析，能谱扫描结果见图 5和表 1。可以看出，表面覆盖物为 Fe 的氧化物，Fe 的氧化物呈红色，同时还存在 Na、Cl 等元素。根据 螺栓表面处理工艺，分为碱性和酸性电镀工艺［3］，其 中酸性电镀工艺中，会选取 NaCl 或 KCl 作为导电 盐［4］，由此推断，在螺栓电镀工艺之前，裂纹就已经 产生。
2． 2 断口微观分析 由于失效螺栓表面特别是旧断口表面氧化严 重; 在裂纹扩展的螺杆心部位置，依然可见氧化“地 衣”，见图 6。无法观察裂纹扩展过程中形貌的变 化，但在陈旧断口观察到解理台阶、撕裂棱共存的准 解理断裂，为脆性断裂形貌，见图 7。同时对失效螺 栓新断口的灰色断面进行观察，具有韧窝形貌的韧 性断裂，见图 8，为扭矩扳手校验时扭断形成。 3 分析与讨论 3． 1 螺栓断裂特点 螺栓金相、硬度检验结果均符合标准要求，淬透 性良好。
裂纹萌生于螺栓螺纹牙根处，裂纹从轴向扩展 开始，转为横向扩展，最终因扭矩校验的扭力而断裂 ( A 面断口) 。螺栓断裂面“黑色”氧化区是旧断口 ( B 面) ，具有 Fe 的红色氧化物，以及 Na、Cl 等盐类 电解质，而 NaCl 或 KCl 在电镀工艺中常被作为导电 盐使用，可见裂纹出现在螺栓表面处理之前; “灰色” 断口属于新断口，呈韧窝形貌，是清晰韧性断裂特 征，应该是在装配现场校验力矩时扭断形成。 3． 2 螺栓断裂原因分析 断裂螺栓材料和热处理工艺均符合标准要求及 技术要求，裂纹源源于螺纹牙根处，即发生在零件尺 寸急剧变化的区域，比如尖角、倒角和小孔部位［5］; 并从轴向扩展开始，裂纹细而深，后转为横向，宏观 上横向断口平整，具有脆性断裂特征的“放射花样”; 最终因人为扭矩校验的扭力而断裂( A 面断口) 。螺 栓断裂面“黑色”氧化区是旧断口，含有红色 Fe 的氧 化物以及 Na、Cl 等盐类电解质，而 NaCl 或 KCl 在电 镀工艺中常被作为导电盐使用，可见裂纹出现在螺 栓表面处理之前。虽然由于“地衣”式氧化产物的覆 盖，无法观察到裂纹扩展过程中断裂形貌的变化，但仍在旧断口观察到脆性断裂的解理台阶、撕裂岭共 存的准解理形貌。断裂螺栓纵向和横向裂纹均符合 淬火裂纹特征，且根据陈旧断口的氧化产物，可推断 螺栓热处理淬火时为水淬。 淬火操作难度较大，在螺栓金相、硬度等参数都 符合标准要求时，淬火裂纹的主要形成原因是内应 力超过了材料的强度极限。淬火内应力包括热应力 ( 淬火零部件内、外温度不均匀，造成收缩程度不同 引起的应力) 和组织应力( 淬火时零部件各部分转变 为马氏体时体积膨胀不均匀引起的内应力) ［6］。为 了达到淬火的目的，通常必须加速零件在高温段内 的冷却速度，并超过材料的临界淬火冷却速度才能 得 到 马 氏 体 组 织［7］ 。对于尺寸较小的M10 mm × 1． 25 mm 螺栓零部件，且较大批量生产，加热时各零 部件之间温度均匀性和冷却时序引起的冷却介质温 度变化等因素，都会影响螺栓的热处理质量。其中， 淬火时冷却速度过大会使淬火裂纹产生的几率增 加，应选择并定制合理的淬火工艺，例如尽量采用下 限温度，尽可能选择冷却缓慢的介质，或者采用双介 质淬火等方式来避免淬火裂纹的产生，以避免装车 后造成更大的安全隐患。 4 结论 针对某汽车公司在现场装配校验拧紧时发生的 螺栓断裂，采用金相显微镜、扫描电镜、能谱仪等进 行分析，结果表明: 螺栓断裂在表面处理之前，为淬 火裂纹，裂纹源于螺纹牙根处，并从轴向扩展开始， 转为横向，最终在校验拧紧时发生一次性断裂。 |
|
|
