汽車發動機前制動軟管螺栓斷裂原因

李朝輝, 蓋躍華

(深圳市公標知識產權鑒定評估中心 質量技術監督評價事務所, 深圳 518000)

某型汽車發動機中的前制軟管螺栓發生斷裂。斷裂螺栓的材料為45鋼,規格為M8,其生產工藝流程為:φ10 mm圓棒退火處理→冷鐓成形→熱處理→電鍍前成品抽檢→除油→低濃度酸清洗→清洗→鍍鋅→清洗出光→鈍化清洗→瀝水→進烘道烘干→成品檢驗。

筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗、硬度測試等方法分析了螺栓斷裂的原因,以防止該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

對3個螺栓進行試驗分析,分別編號為1號、2號和3號。1號螺栓為發生完全斷裂的螺栓;2號螺栓為未安裝、無裂紋的成品螺栓;3號螺栓為經過調質處理的螺栓。3個螺栓的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:1號螺栓的斷裂位置為螺栓根部,2號和3號螺栓是未使用的螺栓。

圖1 3個螺栓的宏觀形貌

圖2為1號螺栓螺帽和螺桿斷口宏觀形貌,由圖2可知:裂紋從螺栓根部邊緣由外向內擴展,螺紋根部未見明顯的變形和剪切唇,說明螺栓發生脆性斷裂;裂紋源在螺桿的根部,斷口有放射狀臺階,在螺紋根部存在應力集中;瞬斷區面積較大,有摩擦痕跡,螺栓承受了拉伸應力,并伴隨有切應力。

圖2 1號螺栓螺帽和螺桿斷口宏觀形貌

1.2 化學成分分析

從斷裂螺栓上取金屬屑,采用碳硫儀對1號斷裂螺栓進行化學成分分析,結果如表1所示,由表1可知:1號斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 699—2015 《優質碳素結構鋼》對45鋼的要求。

表1 1號斷裂螺栓的化學成分分析結果 %

1.3 掃描電鏡分析

用掃描電子顯微鏡對1號斷裂螺栓的斷裂部位進行分析,1號螺栓斷口斷裂源SEM形貌如圖3所示,由圖3可知:裂紋起源于螺帽的根部;裂紋源部位的斷口比較粗糙;斷口有沿晶開裂的傾向,斷裂性質為脆性開裂。

圖3 1號螺栓斷口斷裂源SEM形貌

圖4為1號螺栓斷口瞬斷區SEM形貌,由圖4可知:斷口存在大面積的摩擦痕跡;瞬斷區呈小韌窩形貌。

圖4 1號螺栓斷口瞬斷區SEM形貌

1.4 金相檢驗

將1,2,3號螺栓沿中心軸線方向剖開,制備成金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察。1號螺栓裂紋微觀形貌如圖5所示,由圖5可知:裂紋呈臺階形式擴展, 同時局部區域有二次裂紋擴展,并且裂紋前端呈分叉式擴展。

圖5 1號螺栓裂紋微觀形貌

1號螺栓裂紋腐蝕后微觀形貌如圖6所示,由圖6可知:裂紋沿晶界擴展,在珠光體區內穿晶擴展,整個斷口裂紋以穿晶和沿晶混合的方式擴展。

圖6 1號螺栓裂紋腐蝕后微觀形貌

2號螺栓根部的微觀形貌如圖7所示,由圖7可知:在螺紋的根部有密集流線,尤其靠近表面區域,流線分布最密集;過渡區域的顯微組織為拉長的鐵素體和顆粒狀的珠光體。

圖7 2號螺栓根部的微觀形貌

3號螺栓根部的微觀形貌如圖8所示,由圖8可知:在螺帽和螺桿的過渡區域沒有明顯的流線,顯微組織為均勻的回火索氏體。

圖8 3號螺栓根部的微觀形貌

1.5 硬度測試

硬度測試位置如圖9所示,對螺栓的螺帽和螺桿的過渡區邊緣(A區)、中心區域(B區)和螺桿部位(C區)進行硬度測試,結果如表2所示。

表2 3個試樣的A、B、C 區硬度測試結果 HV

圖9 硬度測試位置示意

由表2可知:1號斷裂螺栓螺桿變截面的拐角A區硬度較高,比螺桿C區硬度高;2號螺栓A區的硬度較高,且越接近根部過渡區的表面,硬度越高,平均值約為328 HV;3號螺栓的A、B、C區的硬度相差較小,基本均勻一致。硬度測試結果說明1號螺栓和2號螺栓的螺帽與螺桿變截面位置可能存在加工硬化現象。

2 綜合分析

斷裂螺栓的化學成分符合標準對45鋼的要求。裂紋從螺紋根部表面產生,由外向內部擴展;斷口比較粗糙,斷口呈解理斷裂特征,宏觀斷口也沒有塑性變形,說明螺栓的斷裂性質是脆性斷裂。

1號螺栓裂紋沿鐵素體晶界開裂,珠光體區域呈穿晶斷裂特征。如果電鍍后螺栓的裂紋擴展有沿晶擴展的傾向,表明螺栓的斷裂與吸氫有關[1]。1號和2號螺栓的顯微組織是拉長的鐵素體和顆粒狀的珠光體,是退火態的變形組織,說明螺栓冷鐓變形后沒有進行熱處理;而3號螺栓經過調質處理后的顯微組織是回火索氏體,與1號和2號螺栓的顯微組織完全不同。

1號和2號螺栓的螺紋根部硬度均高于螺桿部位的硬度,尤其在2號螺栓根部區域硬度達到了328 HV,充分說明螺栓冷鐓后,螺紋根部發生了加工硬化。工藝要求在冷鐓后對螺栓進行熱處理,但是螺紋根部的顯微組織特征、硬度的分布均說明了1號和2號螺栓未經過熱處理。

冷鐓之后對螺栓直接進行了酸洗電鍍,導致在酸洗過程中,變截面部位存在殘余拉應力,使得氫原子易于進入螺栓中,在螺紋根部的拐角部位形成氫富集。在螺栓裝配后,由于螺帽與螺桿變截面部位存在應力集中和工作應力,使氫進一步在螺帽的根部聚集,并產生裂紋,造成螺栓發生氫致延遲斷裂[2]。雖然工藝流程上要求對螺栓進行冷鐓后熱處理,但是螺栓硬度的復驗部位是螺桿,而螺桿部位未經過加工,原材料的硬度與成品螺栓的硬度在同一區間內,因此不能通過檢測螺桿部位硬度的方法來確定螺栓是否經過熱處理。

3 結論與建議

(1) 斷裂螺栓發生氫致延遲斷裂。螺栓冷鐓成形后,在螺帽和螺桿變截面的拐角處存在加工硬化和殘余拉應力,在殘余拉應力的作用下,螺栓酸洗時易吸入氫原子,使得該處形成氫富集,導致螺栓在裝配后發生斷裂。

(2) 在冷鐓成形后、電鍍前增加調質處理,可以消除螺栓加工硬化和應力集中,避免產生氫富集現象。

(3) 建議對成品螺栓進行檢驗時,檢驗位置選擇螺栓縱剖面的交界面位置,而不是桿部位置。