汽車用輪轂螺栓裂紋分析

任鵬波

（上海申光高強度螺栓有限公司， 上海 200135）

0 引言

某緊固件廠商生產汽車輪轂螺栓進行日常檢測時，發現螺栓有裂紋， 實物外觀如圖1 所示。 該螺栓材質為SCM435，規格為M22×1.5×125，性能等級為10.9 級。 螺栓裂紋為縱向裂紋，并貫穿整個螺栓長度，頭部和尾部端面可見裂紋深度方向已穿過螺栓中軸線，形貌見圖2，現需要對螺栓裂紋進行開裂原因分析，找出問題原因后整改，以避免不合格再發生。

圖1 送檢螺栓外觀Fig.1 Appearance of the failed bolts

圖2 螺栓頭部及末端外觀形貌Fig.2 Bolt head and end appearance of the failed bolts

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

經過對失效螺栓宏觀觀察， 螺栓裂紋沿螺栓軸線方向縱向開裂，裂紋整體平直、貫穿整個螺栓長度。 深度方向可見裂紋剛勁有力，尾端尖細，且裂紋兩側耦合性好，綜上特征可判定此裂紋與淬火裂紋特征相吻合， 初步判斷為淬火裂紋[1]。

1.2 化學成分

采用直讀光譜對螺栓進行化學成分分析[2]，試驗結果符合JIS G4053：2003 中SCM435 要求，如表1 所示。

表1 螺栓化學成分（Wt%）Tab.1 Chemical composition of bolts（Wt%）

1.3 洛氏硬度檢測

采用洛氏硬度計對螺栓進行洛氏硬度檢測[3]，試驗結果符合GB/T 3098.1-2010 對10.9 級的要求，見表2。

表2 螺栓洛氏硬度Tab.2 Rockwell hardness of bolts

1.4 金相分析

沿圖3、圖4 所示截取橫向和縱向截面，對不同截面制樣進行金相分析。

圖3 橫向試樣截取位置Fig.3 Lateral intercept position

圖4 頭部和末端縱向截面位置Fig.4 Longitudinal intercept position of head and end

1.4.1 橫向截面1

圖5 為橫向截面1 裂紋深度方向拋光態形貌， 可見裂紋起源于花鍵齒底部，橫向和縱向筆直擴展，裂紋整體剛勁有力，尾端尖細，形貌上與淬火裂紋類似。

圖5 裂紋深度方向形貌特征（拋光態）Fig.5 Morphology characteristics of crack depth direction（polished state）

圖6 為拋光面經4%硝酸酒精溶液浸蝕后的顯微形貌，可見淬火裂紋起始于花鍵齒底。

圖6 裂紋前端金相顯微形貌（4%硝酸酒精溶液）Fig.6 Metallographic morphology of crack front（4% nitric acid）

圖7 附近花鍵齒底拋光態微觀形貌Fig.7 Micro morphology of near spline tooth

圖8 附近花鍵齒底顯微組織（4%硝酸酒精溶液）Fig.8 Microstructure of near spline tooth（4% nitric acid）

圖9 附近花鍵齒底顯微組織（4%硝酸酒精溶液）Fig.9 Microstructure of Near Spline Tooth（4% nitric acid）

圖10 不同部位顯微組織（4%硝酸酒精溶液）Fig.10 Microstructure of other parts（4% nitric acid）

1.4.2 縱向截面1

圖11、圖12 為頭部縱向截面宏、微觀形貌，裂紋平直，尾端尖細，裂紋前端兩側組織未見脫碳現象。圖13 為該截面上的不同金相觀察位置示意圖， 對應不同位置的近表面顯微形貌見圖14，對位置1、位置2、位置3、位置4外表面和基體組織進行HV0.3 檢測，數據分別為315HV0.3和390HV0.3，由此可以推斷，所觀察位置均存在半脫碳現象。 圖15 所示為螺栓非金屬夾雜物顯微形貌，根據“GB/T 10561-2005” 判定， 螺栓非金屬夾雜物符合C 類硅酸鹽（細系）1 級。

圖11 裂紋宏觀形貌（拋光態）Fig.11 Appearance of crack （polished state）

圖12 裂紋微觀形貌（4%硝酸酒精腐蝕）Fig.12 Metallographic morphology of crack （4% nitric acid）

圖13 金相觀察位置Fig.13 Metallographic observation position

圖14 縱向截面1 不同位置微觀形貌（4%硝酸酒精腐蝕）Fig.14 Micro morphology of longitudinal section 1 at different positions （4% nitric acid）

圖15 非金屬夾雜物顯微形貌Fig.15 Microstructure of non-metallic inclusions

1.4.3 橫向截面2

圖16、圖17 為光桿處橫向截面宏、微觀形貌，裂紋兩側耦合性好，前端未見機械劃傷特征，裂紋前端兩側組織未見脫碳現象，靠近外表面維氏硬度305HV0.3，螺栓基體硬度380HV0.3，可見有脫碳特征。

圖16 光桿處橫截面拋光態微觀形貌Fig.16 Micro morphology of non-thread section

圖17 光桿處橫截面微觀形貌（4%硝酸酒精腐蝕）Fig.17 Micro morphology of non-thread section（4%硝酸酒精腐蝕）

1.4.4 縱向截面2

圖18 為末端處縱向截面宏、微觀形貌。 靠近螺紋外表面硬度310HV0.3，螺紋基體硬度385HV0.3，可見螺紋存在半脫碳現象。同時螺紋非受力面中徑以上發現折疊，折疊延伸至中徑處。

圖18 螺紋縱截面微觀形貌（4%硝酸酒精腐蝕）Fig.18 Micro Morphology of Thread（4%硝酸酒精腐蝕）

1.5 縱向金屬流線檢查

圖19、圖20 分別為頭桿、及末端部位金屬流線低倍形貌，可見流線隨外形分布，未見異常。

圖19 縱截面1 金屬流線宏觀形貌紋Fig.19 Macro morphology metal flow of section 1

圖20 縱截面2 金屬流線宏觀形貌Fig.20 Macro morphology metal flow of section 2

圖21 為金屬流線微觀形貌，可見螺栓材料存在嚴重的帶狀組織偏析，根據宏觀分析可見，裂紋方向與帶狀偏析方向一致。

圖21 縱截面2 金屬流線微觀形貌Fig.21 Micro morphology metal flow of section 2

2 綜合分析

送檢螺栓裂紋為縱向裂紋，整體平直、貫穿整個螺栓長度，深度方向可見裂紋剛勁有力，尾端尖細，且裂紋兩側耦合性好，以上特征均與淬火裂紋相符。

螺栓淬火裂紋一般發生在易形成應力集中的地方，如頭桿連接處、花鍵齒底部以及螺紋牙底，尤其是螺紋收尾處、花鍵齒底、鍛造缺陷（折疊）、原材料表面劃傷等部位[4]。

由于送檢螺栓的裂紋為縱向裂紋， 而一般發生在頭桿連接處及螺紋收尾處的裂紋均為橫向裂紋， 與實際不符；通過對光桿部位進行檢查，未發現裂紋及附近表面存在劃傷痕跡，所以也可以排除；未淬裂的花鍵齒底相對完好，所以也可以排除；盡管螺紋處有微小折疊，但熱處理后未進行延伸。

螺栓發生淬火開裂可能還與組織缺陷有關， 如粗大馬氏體組織、網狀碳化物、粗大夾雜物、嚴重組織偏析、表面脫碳等，從組織檢查表明，前三項可以排除；同時金屬流線檢查表明，螺栓存在明顯帶狀組織偏析，由于帶狀組織的存在，淬火時所受應力差異大。 同時，花鍵齒底應力也比較集中，最終導致淬裂[5]。 結合宏觀分析螺栓裂紋主方向與偏析方向一致，裂紋筆直，剛勁有力，且貫穿整顆螺栓長度，符合帶狀偏析導致開裂的形貌。

綜上所述， 送檢螺栓淬火開裂的原因可能與帶狀組織偏析等有關。

3 結論

螺栓的裂紋性質為淬火裂紋， 淬火裂紋產生的原因與帶狀組織偏析等因素有關。

針對帶狀偏析做出明確的合同規定， 按照合同進行來料檢測。