汽車用高強螺栓斷裂分析

馬 成，王立輝，宋 月，孫江歡，孫 巖，孫 力

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

0 引言

40Cr 屬于低合金中碳結構鋼，其淬透性比較好，在經過合適的淬火-回火處理（即調質處理）過程后，具有較高的強度和良好的塑、韌性，具有較低的缺口敏感性和較高的疲勞強度[1]，綜合機械性能佳。因而被廣泛應用于制造齒輪、套筒、傳動部件及螺栓等機械、車輛中承受復雜載荷的關鍵零部件，螺栓作為重要的連接件，廣泛應用于汽車制造的各個部件。通過輕量化降低成本與能耗是汽車工業最緊迫的任務之一，擴大高強螺栓的應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，從而達到車輛整體輕量化的目的。

某高強鋼制六角法蘭面螺栓材料為40Cr，尺寸規格為M12，強度等級為10.9 級，應用于某廠試制的汽車懸架發生斷裂，斷裂位置在螺紋處。本文對螺栓斷裂件與同批次螺栓進行了對比分析，確定了該高強螺栓失效形式與原因，為之后預防類似事故再次發生提供理論依據。

1 實驗材料及方法

1.1 實驗材料

本文所用的斷裂螺栓與同批次全新未使用過的螺栓材質為40Cr。

1.2 實驗方法

（1）將斷裂螺栓置于無水乙醇中進行超聲清洗10 分鐘，吹干后，利用場發射掃描電子顯微鏡對斷口表面進行微觀形貌觀察。然后沿斷裂螺栓的橫截面采用線切割切取試樣，經過水磨砂紙打磨后，通過直讀光譜儀進行基體材料的化學成分分析。

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

（3）對金相試樣樣品采用Wilson-Tukon 2500 Minuteman 全自動硬度計進行了洛氏硬度的測量。

2 結果與討論

2.1 螺栓成分

將該斷裂螺栓化學成分檢驗結果與GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中對于40Cr 合金鋼的成分要求，以及GB/T 3098.1-2010《緊固件機械性能》中對10.9 級螺栓的成分要求進行對比，結果如表1所示。由表1 可知其化學成分均在標準范圍內，符合上述兩個國家標準。

2.2 斷口形貌

表1 實測螺栓成分與國標成分對比

將清洗過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，根據斷口形貌可以將其分為裂紋源區、裂紋擴展區和瞬斷區。

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

（2）對裂紋擴展區觀察可以看到明顯的放射狀花紋，為準解理斷裂，如圖2（b）所示。

雖然我國已經成為了網絡大國，但還不是網絡強國，在網絡安全方面面臨著嚴峻的挑戰。網絡安全事關國家安全的重大戰略問題，沒有網絡安全就沒有國家安全。我國的網絡安全和信息化領導體制曾幾經調整，但以前都沒有上升到國家最高層面。隨著網絡安全和信息化在國家安全與發展中的地位與作用不斷提升，客觀上也要求把網絡安全和信息化作為國家的重大戰略。

（3）通過圖1 可以看出，瞬斷區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。瞬斷區占整個斷口的面積比較小，說明所受疲勞應力較小[3]。這可能是因為隨著疲勞裂紋不斷擴展，螺栓產生了一定的開裂位移，導致施加在開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

對斷裂螺栓和同批次未使用的全新螺栓分別進行了金相組織觀察，結果如圖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，說明斷裂螺栓熱處理過程與其他螺栓一致。

由圖3 可見，在剖面上未觀察到有害的帶狀組織，也未發現嚴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，馬氏體發生分解而鐵素體相仍保持原針狀，并未全部轉化為等軸鐵素體[5]。對于珠光體、索氏體等具備片層結構的組織，其斷裂強度隨片層間距的縮小而增大，這是由于片間距較小時鐵素體和滲碳體相界面的密度越大，導致位錯運動的阻力增加，具有較高的硬度和強度[6]。這也與40Cr 調質鋼螺栓制造時的熱處理工藝相符。

2.3.2 脫碳層觀察

對斷裂螺栓進行了脫碳層觀察，如圖4 所示。發現在螺牙頂部脫碳層較厚，最高達到約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。根據金相結果，統計并計算出了斷裂及未斷裂螺栓螺牙頂部、中部及根部各5 個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

對斷裂螺栓縱剖面在金相顯微鏡下詳細觀察，在螺牙的中部靠近根部位置，發現了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鍵區域的加工缺陷，在服役過程中承受復雜的工作應力情況下，容易造成應力集中，誘發裂紋萌生過程并產生微裂紋。而隨著服役過程不斷承受交變載荷，裂紋源位置的微裂紋不斷擴展，最終導致了螺栓發生疲勞斷裂失效。

2.4 機械性能分析

2.4.1 洛氏硬度分析

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

將測試得到的硬度與根據GB/T 3098.1 中所規定的10.9 級螺栓洛氏硬度進行對比，可知測試得到的硬度均落在國標規定的32～39 HRC 之間，略接近于規定下限。

2.4.2 抗拉強度分析

由于螺栓尺寸較小，不足以完成拉伸強度試驗，因而按照GB/T 1172-1999 的規定，將硬度值換算成強度值。對于Cr 合金鋼，硬度為33.0 HRC 時，可換算為抗拉強度1 022 MPa，略低于GB/T 3098.1中對10.9 級螺栓最低抗拉強度1 040 MPa 的要求。但由于換算過程本身即為粗略估算，且硬度已達標，故不能得出螺栓力學性能不合格的結論。

3 結語

根據以上的實驗結果分析，該螺栓屬于疲勞斷裂。從金相分析可以得出，螺栓材質的金相微觀組織正常，無明顯的冶金缺陷，且螺紋表層部分無明顯脫碳。從硬度、成分等方面分析，螺栓也處于國標規定的合格范圍內。分析最終認為，螺栓加工過程中造成的個別螺牙側面近底部位置的部分加工缺陷，是導致螺栓出現疲勞斷裂的主要原因。這是由于在交變應力作用下導致缺陷處應力集中，進而誘發裂紋在缺陷處萌生并產生微裂紋，隨著微裂紋的不斷擴展，最終導致了螺栓發生斷裂失效。