關于汽車配件螺栓斷裂原因分析

任曉霞 堯偉

摘 要：材質為45#的螺栓在熱處理后沿徑向出現裂紋并斷裂。為了查明原因，用光電直讀光譜儀、光學顯微鏡及掃描電子顯微鏡對斷裂處進行了能譜、宏觀、微觀和化學成分等分析。研究表明：螺栓的化學成分完全符合產品的技術要求，螺栓斷裂是由于螺栓在淬火前存在成分偏析，以及淬火冷卻時生成較多的塊，半網狀鐵素體等組織缺陷，引起螺栓的強韌性下降，導致螺栓沿徑向方向產生微裂紋而引起的疲勞斷裂。

關鍵詞：螺栓 疲勞斷裂 成分富集

中圖分類號：TG11 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）01（a）-0070-01

某公司生產的螺栓，主要用于汽車上，其作用是緊固連接。材質：45#，性能等級：4.8級，規格：M10。它的熱處理工藝是淬火900～930 ℃以及回火580～630 ℃。熱處理結束之后，發現沿徑向方向螺栓斷裂，導致批量性報廢，造成單位的經濟損失慘重。該文通過分析，探究螺栓斷裂的原因，包括能譜、宏觀、微觀和化學成分等分析。

1 實驗過程與結果

1.1 化學成分分析

其材質：45#，執行標準：GB/T699-1999，螺栓的化學成分是通過采用美國XXX型光電直讀光譜儀進行光譜分析的，結果見表1，觀察表1知斷裂螺栓的化學成分滿足GB/T699-1999優質碳素結構鋼的要求。

1.2 宏觀分析

見圖1，斷裂螺桿的宏觀圖。經觀察可知，螺栓對開是沿徑向區域，斷裂起源于螺栓螺紋牙處。整個斷口絕大部分為擴展區，最后的瞬斷區很窄，宏觀上有明顯的疲勞特征。直于裂紋前端（每一瞬間）的輪廓。因此可判斷裂紋源應在螺栓螺紋牙處。

1.3 微觀分析

侵蝕樣品的溶液選用5%（體積分數）硝酸酒精，通過在顯微鏡下觀察，能夠發現其縱向截面斷裂邊緣組織是大量塊狀鐵素體以及回火索氏體（見圖2）。其塊狀鐵素體是屬于未淬透而生成的組織，有可能是經加熱使其完全奧氏體化之后再做淬火冷卻而緩慢形成的，并在回火的時候，因沒有發生組織轉變，最后，這部分鐵素體被保留了下來，降低了機械性能，而余下的馬氏體經碳化物析出，進而轉變為回火索氏體。

1.4 能譜分析

觀察正常部位組織（圖3）及裂紋附近的組織（圖4、圖5），可以發現組織均以回火索氏體為主，大小均勻。裂紋附近組織無明顯異常，可以初步判定裂紋不是在軋制階段形成的，因為若是在軋制階段形成，考慮在連續冷卻相變過程機理不同，裂紋附近組織與正常部位的組織會有明顯的不同。

能譜分析結果表明，裂紋靠近尖端及遠離尖端處，均發現有S、Ca、Mn等元素聚集，考慮是煉鋼環節保護渣卷入或鋼中夾雜物造成的。鋼中這些元素的聚集，形成硬質相，在外力作用下，易成為裂紋的起源點，而且這些硬質相對裂紋擴展的阻礙作用下，造成產品在服役過程中失效。

2 改進措施

對于上面所說的情況，采取以下改進措施：

（1）在調質之前應先進行退火。

（2）選擇冷卻能力較低的淬火介質（如：油）。

（3）有效防止煉鋼時保護渣的卷入。

3 結論

（1）45#在熱處理過程中生成了塊狀鐵素體這種非正常組織，最終在熱處理過程中的熱應力作用下造成螺栓因微裂紋發生斷裂。因此，在調質之前應該先進行退火，然后進行正火能夠將晶粒細化，使其組織有所改善。

（2）如果機械性能要求可以由淬火、回火滿足，那么若鋼種的淬透性比較好，則淬火介質應該選擇如油等這類冷卻能力比較低的介質，采用的方式還可以是分級淬火，從而減小組織的內應力，進一步減少開裂或者變形傾向。

參考文獻

[1] 黃福祥，張津，杜長華，等.離心機轉鼓沖蝕磨損破壞失效分析[J].金屬熱處理，2007（8）：93295.

[2] 孫維連，陳再良，王成彪.機械產品失效分析思路及失效案例分析[J].材料熱處理學報，2004，25（1）：69273.

[3] 朱凱，何軍，陳志川.轉臂開裂原因分析[J].失效分析與預防，2007（3）：42-45.