ML40Cr鋼六角法蘭面螺栓斷裂原因分析

梁成成，周夢麒，王斌

1.山西工程職業學院 山西太原 030009

2.河北瑞騰新能源汽車有限公司 河北石家莊 052360

3.山西省檢驗檢測中心（山西省標準計量技術研究院） 山西太原 030009

1 序言

汽車控制臂作為汽車懸架系統導向和傳力元件，不僅起著將車輪上的各種力傳遞給車身，控制車輪按特定軌跡運動的功能，同時它還起著保證底盤結構的穩定性、減緩行駛產生晃動的作用，汽車控制臂螺栓聯接的可靠性關系著整車的安全和行駛穩定性。關鍵部位的聯接螺栓作為重要的緊固件，一般要求不能失效，一旦失效將造成機器失靈，嚴重者甚至出現人員傷亡的嚴重后果[1]。國內對8.8級以上高強度螺栓斷裂失效的研究主要以氫脆[2-4]、疲勞[5，6]和原材料自身缺陷[7]導致的斷裂為主，對螺栓安裝過程問題引起的螺栓斷裂報道較少[8]。

汽車控制臂與前副車架裝配，需要用六角法蘭面螺栓進行緊固，螺栓裝配采用電動定扭扳手進行擰緊，裝配過程中發現1根螺栓發生斷裂。排查線邊及庫存螺栓，發現它們屬于同一批次，該批次是最新生產到貨的，共160根，螺栓尺寸檢驗均符合要求。為避免該螺栓再次發生斷裂，基于理化檢驗方法，對斷裂螺栓進行失效分析，通過魚骨刺圖法排查和現場擰緊試驗驗證，最終確定了該螺栓斷裂的主要原因，并給出了改進措施，為保證螺栓正常使用和車輛安全運行提供了有力支持。

2 失效概況

汽車控制臂與前副車架處螺栓聯接結構如圖1所示，螺栓將車架與控制臂聯接緊固在一起。

圖1 控制臂與車架處螺栓聯接結構

當擰緊力矩達到174N·m時螺栓發生斷裂，斷裂后的六角法蘭面螺栓宏觀形貌如圖2所示，螺栓斷裂部位為靠近螺母支撐面的第一扣螺紋處。六角法蘭面螺栓材料牌號為ML40Cr，尺寸規格為M14mm×1.5mm×90mm，機械強度等級10.9級，螺栓表面采用達克羅（鋅鋁涂覆）處理，摩擦系數要求控制在0.09～0.15，安裝扭矩為（200±20）N·m，螺栓主要加工工藝為：原材料進廠檢驗→原材料改制→下料→冷鐓→熱處理→機加工（搓絲）→表面達克羅處理→終檢→包裝。螺栓表面缺陷應符合GB/T 5779.3—2000《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》規定；螺栓螺紋的基本尺寸和公差等級應分別符合GB/T 196—2003《普通螺紋 基本尺寸》和GB/T 197—2018《普通螺紋 公差》規定；螺栓螺紋的螺牙和螺距應分別符合GB/T 192—2003《普通螺紋 基本牙型》和GB/T 193—2003《普通螺紋 直徑與螺距系列》相應的規定；螺栓的強度等級、硬度范圍、化學成分等方面應符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》和GB/T 3077—2015《合金鋼結構》中相應的技術要求。

圖2 斷裂螺栓的外觀形貌

3 理化檢驗

3.1 斷口分析

（1）宏觀斷口分析 斷口的宏觀分析法，是一種對斷裂件進行直觀分析的簡便方法，對螺栓斷口進行宏觀形貌分析，可以迅速而準確地識別出螺栓斷裂類型、裂紋源位置，以及裂紋擴展途徑和走向[9]。對斷裂螺栓進行宏觀目測發現，斷裂起源于螺紋牙底區域，斷口附近螺栓直徑明顯變細，該區域螺紋大徑相差約0.83mm，出現明顯的塑性變形和頸縮現象，如圖3所示。螺栓斷口界面呈傾斜狀，界面與拉伸軸線呈約30°夾角，表面較粗糙，基本符合拉伸-扭轉韌性過載斷裂特征。

圖3 螺栓塑性變形區形貌

圖4所示為螺栓斷口正面宏觀形貌，整個斷口表面較粗糙，色澤較均勻，未見異常痕跡。斷面可以分為3個區域，其中Ⅰ區位于斷面邊緣，有一定高度的凸起，裂紋源在此區域萌生并向中心區域擴展；Ⅱ區有明顯的擴展棱線花樣，呈扇形狀，屬于放射區，裂紋經該區域由緩慢擴展向快速不穩定擴展轉化；Ⅲ區位于斷面缺口底部，此區域表面較粗糙，屬于最終瞬斷區。

圖4 螺栓斷口宏觀形貌

（2）微觀斷口分析 將斷口表面用超聲波清洗后放置到掃描電鏡下，用掃描電鏡對圖4螺栓斷口Ⅰ區進行微觀形態掃描，未見明顯異常缺陷，其微觀形貌呈現韌窩狀花樣[10]，如圖5a所示。韌窩又稱作孔坑、微坑，是韌性斷裂主要的微觀特征，韌窩形貌的存在說明螺栓具有良好的韌性。觀察發現，韌窩的形狀近似等同于等軸韌窩，這說明斷面主要受力方向為軸向拉應力，這與宏觀觀察分析的結果基本吻合[11]。在掃描電鏡下再對該區域化學元素進行能譜檢測，結果如圖5b所示。由圖5b可知，斷裂源區中只含有常見的Fe、C、Cr、Si等元素，未見Ca、Zn、Al等元素的氧化物，說明裂紋的萌生不是由夾雜物導致的。螺栓斷口Ⅱ區和Ⅲ區微觀形貌同樣也是韌窩狀，也沒有異常夾雜物存在。

圖5 螺栓裂紋源掃描電鏡分析

螺栓斷口微觀形貌的觀察分析，進一步佐證了螺栓斷裂性質為韌性過載斷裂。

3.2 斷裂螺栓加工制樣

切除斷裂螺栓螺紋部分，長端重新磨削滾絲，加工制成M14×1.5-6h螺紋，用于螺栓抗拉強度測試。在距螺紋末端約一個公稱直徑（1d）處取一橫截面制樣，檢測螺栓化學成分、硬度、金相組織及脫碳層，加工后的測試樣件如圖6所示。

圖6 加工后的測試樣件

3.3 化學成分分析

用德國OBLF-GS1000直讀光譜儀對測試試樣進行化學成分檢測，結果見表1。

表1 化學成分分析結果（質量分數） （%）

斷裂螺栓各元素含量均符合國家標準GB/T 6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》對ML40Cr的規定，螺栓化學成分合格，特別是有害元素S和P的含量均優于國家標準要求，在正常使用的情況下不會增加材料的脆性[12]。

3.4 金相組織檢驗分析

將測試試樣進行磨制、拋光和浸蝕處理，放置到德國萊卡DMIL金相顯微鏡下，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》對失效螺栓金相組織形貌進行檢測，結果如圖7所示，索氏體基體（鐵素體）上均勻分布著細小顆粒狀的碳化物，符合回火索氏體的組織特征。高硬度的碳化物與具有良好塑性的鐵素體構成的復相組織，使得調質后的螺栓具有了良好的韌性、塑性，以及較高的強度、硬度等綜合性能[13]。依據GB/T 13320—2007《鋼質模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》規定，參照原始組織評級圖對圖7所示顯微組織進行評定，金相顯微組織為致密均勻的回火索氏體（回火索氏體+少量鐵素體），組織級別為2級，未見其他異常，符合技術要求。

圖7 螺栓顯微組織形貌（500×）

將化學試劑浸蝕后的試樣沿螺紋中心縱向剖開，進行螺紋表面脫碳層和表面缺陷檢測，結果如圖8所示。經測量可得，螺紋全脫碳層深度G=0mm，螺紋未脫碳層高度E=1.124mm，脫碳層滿足GB/T 3098.1—2010規定的M14×1.5mm規格，10.9級高強度螺栓G≤0.015mm，E≥2/3H1（0.866mm）的要求（H1為螺紋牙高）[14]，螺紋表面質量狀況良好，未發現孔洞、裂紋、折疊、脫碳等表面缺陷。

圖8 螺栓表面顯微組織形貌（100×）

3.5 硬度測試

采用洛氏硬度計對制備試樣的表層和心部硬度進行測試，結果見表2。螺栓表層洛氏硬度平均值為37.33HRC，螺栓心部洛氏硬度平均值為36.33HRC，均符合GB/T 3098.1—2010中對10.9級螺栓的技術要求。

表2 螺栓硬度測試結果 （HRC）

3.6 抗拉強度

將制備的試樣安裝到萬能試驗機上，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》規定進行抗拉強度測試，實測抗拉強度為1130MPa，再抽檢同批次2根螺栓進行抗拉強度測試，實測抗拉強度分別為1140MPa、1160MPa，均符合GB/T 3098.1—2010對10.9螺栓規定的抗拉強度≥1040MPa的要求，螺栓抗拉強度合格。

3.7 表面涂層性能分析

隨機抽取同批次3根未使用過的螺栓分別進行摩擦系數和涂層厚度檢測，利用德國Schatz多功能緊固件分析系統和日本日立CMI243涂層測厚儀，依據GB/T 16823.3—2010《緊固件 扭矩-夾緊力試驗》和ISO 1463—2021《金屬和氧化物鍍層.覆蓋層厚度的測定.顯微鏡法》相關要求實施檢測，摩擦系數和涂層厚度檢測結果分別見表3和表4。

表3 螺栓摩擦系數測量值

表4 螺栓涂層厚度測量值 （μm）

由表3可以看出，每根螺栓的總摩擦系數μtot、螺紋摩擦系數μb、螺栓支撐面摩擦系數μth都在圖樣要求的0.09～0.15內，且它們之間散差較小，一致性較好，摩擦系數合格。

由表4可以看出，每根螺栓的三點涂層平均厚度均在圖樣要求的6～20μm內，涂層厚度合格。

4 分析與討論

通過理化檢驗結果可以看出，該六角法蘭面螺栓化學成分、金相組織、硬度、抗拉強度、摩擦系數和涂層厚度等關鍵指標均符合技術要求，表明斷裂螺栓的材料和熱處理工藝正常，螺栓的斷裂與其內在質量無直接因果關系。

通過斷裂螺栓的宏觀形貌和斷口微觀掃描可以看出，螺栓有塑性變形和頸縮現象，斷口微觀呈現韌窩狀形貌，瞬斷區表面粗糙，具有典型過載韌性斷裂特征，表明該螺栓在裝配過程中，由于承受載荷過大而造成螺栓斷裂[15]。

針對螺栓承受過大載荷問題，筆者運用如圖9所示的魚骨刺圖法，從“人機料法環”5個方面進行分析確認，查找問題發生的根本原因。

圖9 魚骨刺圖

通過對控制臂與車架裝配工藝分析，列出了如圖9所示的引起螺栓載荷過大的5個可能原因，針對這些可能原因進行逐一排查，見表5。

表5 可能原因排查

經過核實發現，控制臂內孔直徑為（14.5±0.1）mm，螺栓外徑為14mm，存在螺栓穿過控制臂內孔困難的問題，為了方便安裝，裝配人員會在控制臂內孔預先涂抹凡士林油膏進行潤滑，而螺紋涂上凡士林后，會導致螺栓摩擦系數減小。在相同的裝配扭矩下，摩擦系數越小，產生的軸向力越大。通過對涂抹凡士林的螺栓進行摩擦系數測試，發現螺紋摩擦系數μb最小可達到0.03，大大低于技術要求的0.09～0.15。

根據GB/T 16823.2—1997《螺紋緊固件緊固通則》進行反算，為簡化公式，假設μth=μb，當螺紋中徑和小徑均為最小值，即d2=12.886mm，d3=11.924mm，螺栓抗拉強度=1130MPa，D0=26.4mm，dh=15.5mm，扭矩系數K=0.108，屈服緊固軸力F=113.5kN，屈服緊固扭矩T=171.3N·m，根據以下緊固扭矩公式，可以反算出μth=μb=0.07。

通過上述數據可以看出，當螺栓被174N·m扭矩擰斷時，理論上它的摩擦系數μb需要≤0.07。

現場采用同一定扭扳手，在相同擰緊扭矩值范圍內對同一批次涂抹凡士林油膏的螺栓進行實際裝配，發現連續5顆螺栓均發生過載斷裂，試驗結果也驗證了涂抹凡士林是導致螺栓斷裂的根本原因。

綜合分析可以推斷，涂抹上凡士林的螺栓，摩擦系數顯著變小，在螺栓正常裝配扭矩（200±20）N·m范圍內，螺栓會出現過擰現象，此時螺栓受到的預緊拉應力異常增大，使螺栓被拉長，進而導致螺栓原有的力學性能大幅降低，不能滿足被裝配件的使用要求，從而導致螺栓產生軸向拉伸斷裂。

從線邊隨機抽取4根同批次M14螺栓進行現場擰緊試驗驗證，在不涂抹凡士林油膏的情況下，按照規定的（200±20）N·m扭矩值進行裝配，結果4根螺栓均未出現斷裂和塑性變形問題，結論得到有效驗證。

5 結論與建議

1）六角法蘭面螺栓的化學成分、金相組織、力學性能、摩擦系數和涂層厚度等均滿足相關技術要求。從螺栓斷口宏微觀分析，該螺栓為韌性過載斷裂。

2）通過魚骨刺圖法排查和現場螺栓擰緊試驗驗證，說明螺栓過載斷裂的主要原因為螺栓摩擦系數顯著減小，而螺栓摩擦系數變小的原因是螺栓在裝配過程中，螺紋表面異常接觸到了凡士林油脂。

3）嚴格控制螺紋緊固件裝配工藝，防止裝配過程中螺栓接觸到油脂、防銹油等潤滑劑而影響摩擦系數，保證裝配質量。

4）在汽車生產制造過程中，對于重要零部件裝配，有必要采取扭矩或轉角監控法對螺紋緊固件摩擦系數進行管控，防止摩擦系數出現異常波動[16]。