十宗罪

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跑得快 质量(liang)分析

汽车方向盘自挤螺钉断裂失效分析

要:采用扫描(miao)电镜、金(jin)相检验、显微硬(ying)度(du)、化学成(cheng)分分析、氢(qing)(qing)脆(cui)预(yu)载荷(he)试验等方法对某型(xing)号乘(cheng)用车方向(xiang)盘固定(ding)螺(luo)钉的断裂原因(yin)进(jin)行了分析。结(jie)果表明,螺(luo)钉的断裂性质是氢(qing)(qing)致延(yan)迟断裂,裂纹起源(yuan)于螺(luo)钉头下第一牙底。电镀(du)后驱氢(qing)(qing)不充分致使螺(luo)钉表层残(can)留较高浓度(du)的氢(qing)(qing),表面渗碳层及首牙处(chu)的应力(li)集中构成(cheng)了导(dao)致氢(qing)(qing)脆(cui)三个敏感因(yin)素。

汽(qi)车用紧(jin)固件(jian)相对于(yu)普通(tong)紧(jin)固件(jian)具(ju)有更(geng)高的安全性、可靠性要(yao)求高(gao),汽车主(zhu)机厂通常会要(yao)求其供应(ying)商提供的紧固(gu)件产品零缺(que)陷,因(yin)为(wei)车(che)辆(liang)在高速运行过程中,即使一个不起眼的螺(luo)(luo)钉(ding)(ding)断(duan)裂也可能造成严重的安全事故。某型号乘用车(che)在试车(che)时,用于固(gu)定方向盘(pan)的螺(luo)(luo)钉(ding)(ding)发(fa)生断(duan)裂,厂方要求分析断(duan)裂原(yuan)因(yin)。该(gai)螺(luo)(luo)钉(ding)(ding)为(wei)一自挤(ji)螺(luo)(luo)钉(ding)(ding),螺(luo)(luo)纹公称直径3.5mm,材质为(wei)SAE1022 ,表面渗(shen)碳(tan)后又经电镀锌处理。

1 理化检验

1.1断口分析

1所(suo)示为(wei)断裂螺(luo)(luo)钉断面(mian)宏观形貌,该螺(luo)(luo)钉在一(yi)镁合金被连接部件上自攻螺(luo)(luo)纹安装,发现时(shi)螺(luo)(luo)钉头部已掉落丢失,图中(zhong)所(suo)示为(wei)还未取出(chu)的断裂残件,其断口平(ping)齐,隐约可见(jian)发散性(xing)条纹收(shou)敛于断面(mian)右侧边缘。

1.3 化学成分分析(xi)

采用(yong)电感耦(ou)合等离子发射光(guang)谱法(ICP)对螺钉部分(fen)残样进行化学成(cheng)分(fen)分(fen)析(xi),结(jie)果如表(biao)1所示,其化学成分与“SAE J430-2001”标准中1022钢(gang)的要求(qiu)相比,碳含量偏高,这(zhei)可能是由于螺钉表面渗碳的缘故。

表(biao)1 断裂(lie)螺钉(ding)化(hua)学成分(质量分数, %

Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)

化学元素

C

Si

Mn

P

S

标(biao)准(zhun)规定

0.170.23

≤0.10

0.701.00

≤0.030

≤0.035

检测(ce)值(zhi)

0.28

0.06

0.80

0.016

0.010

1.2 氢含量测定

取断裂试样残件和完好试样进(jin)行氢含量测定,据生厂家介(jie)绍,该批螺钉在(zai)电(dian)镀(du)后已经做过200保(bao)温4小时的驱氢(qing)(qing)处理,但(dan)检测(ce)结果显示,该(gai)批螺钉(ding)氢(qing)(qing)含量仍处于较(jiao)高水平

2 螺钉(ding)氢含量

Tab.2 Hydrogen content of the screws

试(shi)样

氢含(han)量/ ppm

断裂试(shi)样

12.5

完好试样

10.09.511.3

为(wei)了进一步验证螺(luo)钉是否有(you)氢脆(cui)倾向,根据GB/T 3098.17-2000进行检查氢脆预载荷试验,在(zai)保(bao)载48小时候后未发(fa)现(xian)螺钉断裂(lie),但仔细观察后发(fa)现(xian),多处螺纹(wen)部位已断裂(lie)或(huo)产生裂(lie)纹(wen),如(ru)图7(a)所(suo)示。将螺纹断(duan)(duan)裂面(mian)放(fang)大后可见其断(duan)(duan)口(kou)为沿(yan)晶(jing)断(duan)(duan)裂形貌(mao),晶(jing)间有(you)二(er)次裂纹,晶(jing)面(mian)上有(you)大量(liang)鸡爪形撕裂痕,为典型(xing)的(de)氢脆断(duan)(duan)口(kou)形貌(mao),如(ru)图7(b)所(suo)示。

2.综(zong)合(he)分(fen)析

以上分(fen)析结果(guo)表明(ming),螺(luo)栓(shuan)断口(kou)平齐,无(wu)明(ming)显塑性变(bian)形(xing),断口(kou)边缘(yuan)为冰糖状沿晶(jing)形(xing)貌(mao),晶(jing)面上有大量鸡爪形(xing)撕裂(lie)纹;芯部为准解(jie)理形(xing)貌(mao),这些都是氢脆(cui)断裂(lie)的典型特征。同时,螺(luo)钉(ding)中(zhong)也检(jian)(jian)测(ce)到了较高浓度的氢,检(jian)(jian)查(cha)氢脆(cui)预载荷试验结果(guo)也表明(ming)螺(luo)钉(ding)渗碳层(ceng)是氢脆(cui)敏(min)感区(qu)。

氢脆断裂是(shi)紧固件(jian)产品失(shi)效(xiao)机理中比较常见的一种,是(shi)零件(jian)在低于(yu)材(cai)料(liao)屈(qu)服极(ji)限(xian)的静应(ying)力作(zuo)用下导(dao)致(zhi)的失(shi)效(xiao)。它是(shi)由于(yu)氢渗入金属内部导(dao)致(zhi)的不可逆损伤,它无征兆(zhao),具(ju)有(you)突发性(xing),因此,氢脆断裂具(ju)有(you)极(ji)大的破坏性(xing)。影响氢脆的因素主(zhu)要(yao)有(you):钢(gang)的含碳量、显(xian)微组织、钢(gang)的强(qiang)度(du)、硬(ying)度(du)及所受应(ying)力等。钢(gang)的含碳量越高(gao),强(qiang)度(du)越大,硬(ying)度(du)越高(gao),所受应(ying)力越大则氢脆敏感(gan)性(xing)就越高(gao) [1]。在本(ben)案例(li)中,螺(luo)钉(ding)(ding)在整个制作过程中经历了电镀工艺,致使氢渗入螺(luo)钉(ding)(ding)表层,虽然(ran)在电镀后(hou)经过驱氢处理,但螺(luo)钉(ding)(ding)中的(de)氢含量(liang)仍处于较(jiao)高(gao)水平(ping),这可能(neng)是由于表面镀层对内部氢的(de)逸(yi)出起到了一定的(de)阻碍作用[2,3]。由于(yu)氢(qing)在(zai)(zai)材料内部分(fen)布(bu)并不均(jun)匀,会在(zai)(zai)材料的(de)(de)微观(guan)缺陷及应力较(jiao)大处(chu)(chu)富集,头下第(di)一(yi)牙处(chu)(chu),为应力较(jiao)大部位,在(zai)(zai)载荷(he)的(de)(de)作用下,氢(qing)与局部应力交互(hu)作用,在(zai)(zai)此处(chu)(chu)形(xing)成氢(qing)的(de)(de)局部高(gao)(gao)浓度(du)富集(远高(gao)(gao)于(yu)所检(jian)测的(de)(de)平均(jun)氢(qing)浓度(du));而(er)且螺(luo)(luo)钉表层经渗(shen)碳(tan)淬火后的(de)(de)高(gao)(gao)碳(tan)、高(gao)(gao)硬度(du)组织具有(you)较(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)氢(qing)脆(cui)敏感(gan)性,致(zhi)使氢(qing)致(zhi)裂(lie)(lie)纹在(zai)(zai)渗(shen)碳(tan)层萌生并向内扩(kuo)展,最终导致(zhi)螺(luo)(luo)钉断裂(lie)(lie)。

3.结论

该螺(luo)钉(ding)(ding)的断(duan)裂性(xing)质(zhi)是(shi)氢致延迟断(duan)裂,裂纹起(qi)源于渗碳(tan)层(ceng),驱(qu)氢不充分和渗碳(tan)层(ceng)过厚是(shi)导(dao)致该螺(luo)钉(ding)(ding)氢脆断(duan)裂的根本原因,建议厂家在不影响镀(du)层(ceng)质(zhi)量(liang)的前提下(xia)适当提高驱(qu)氢温度、延长(zhang)保温时(shi)间,渗碳(tan)层(ceng)厚度则宜控制在标准规定的下(xia)限。

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