盧寵光，劉善林

(長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心， 河北保定 071000)

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10.9級(jí)法蘭螺栓斷裂分析

盧寵光，劉善林

(長(zhǎng)城汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心，河北省汽車(chē)工程技術(shù)研究中心， 河北保定 071000)

摘要：對(duì)汽車(chē)某斷裂法蘭螺栓進(jìn)行外觀檢查、斷口分析、化學(xué)成分分析、金相組織檢查及硬度檢測(cè)等試驗(yàn)，在理化試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，運(yùn)用微觀斷裂理論對(duì)螺栓的斷裂原因進(jìn)行綜合分析得出結(jié)論：淬火時(shí)碳勢(shì)控制不良造成螺栓表面增碳嚴(yán)重，而電鍍工藝氫原子的滲入導(dǎo)致裝配后的螺栓氫脆斷裂。

關(guān)鍵詞：螺栓；疲勞斷裂；電鍍；氫脆

0引言

汽車(chē)某法蘭螺栓，材料牌號(hào)為40Cr，規(guī)格型號(hào)性能等級(jí)為M10X1.25/YC10.9級(jí)，執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010，表面經(jīng)鍍鋅防銹處理。此螺栓產(chǎn)品用于汽車(chē)某零部件總成連接，在裝配48 h后螺栓頭部和桿部結(jié)合處發(fā)生自然斷裂。為找到斷裂原因，對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了綜合分析。

1試驗(yàn)分析

1.1斷口分析

對(duì)螺栓斷裂失效樣品進(jìn)行斷口形貌分析，測(cè)試結(jié)果如下:

(1)如圖1所示，在裝配48 h后法蘭螺栓頭部和桿部結(jié)合處發(fā)生自然斷裂，此處應(yīng)用面積大于螺紋處，斷裂處無(wú)明顯塑性變形。

(2)如圖2—4所示：斷裂源于螺栓頭部和桿部結(jié)合處的外表面R角位置，并向螺栓中心擴(kuò)展。擴(kuò)展區(qū)(A、C區(qū))主要為沿晶脆性斷口，沿晶面上有明顯的塑性變形韌窩(雞爪痕)和微孔特征及大量的晶界分離溝槽，表現(xiàn)為典型氫脆斷口特征。

(3)如圖5所示，斷口中心B區(qū)為塑性韌窩帶，此區(qū)為螺栓受力面積變小在靜載荷下產(chǎn)生的斷裂終斷區(qū)。

圖2　斷口宏觀形貌(箭頭處為裂紋源)

圖3　A區(qū)域斷口微觀形貌

圖4　C區(qū)域斷口微觀形貌

圖5　B區(qū)域斷口微觀形貌

綜合以上分析,綜合斷面形貌和斷裂背景情況，推斷此螺栓為氫脆延遲斷裂。

1.2化學(xué)成分分析

對(duì)螺栓斷裂樣品和正常樣品進(jìn)行化學(xué)成分分析，測(cè)得的結(jié)果如表1所示。

從表1可見(jiàn)：此斷裂螺栓和正常螺栓化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T3077-1999對(duì)牌號(hào)40Cr的要求。

表1　化學(xué)成分測(cè)試結(jié)果　%

1.3實(shí)物拉伸測(cè)試

對(duì)同批次正常樣品進(jìn)行實(shí)物拉伸測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表2所示。

表2　拉伸性能測(cè)試結(jié)果

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010對(duì)10.9級(jí)螺栓要求為Rm≥1 040 N/mm2，因此同批次正常樣品拉伸強(qiáng)度合格。

1.4金相分析

對(duì)螺栓正常樣品和斷裂失效樣品進(jìn)行金相分析，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　金相分析結(jié)果

圖6正常樣品組織(25×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖7　正常樣品組織(100×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖8　正常樣品螺紋組織(100×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖9　正常樣品芯部組織(500×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖10　正常樣品表面組織(500×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖11　正常樣品拋光形貌(25×，未浸蝕)

圖14　斷裂樣品螺紋組織(100×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖15　斷裂樣品螺紋組織(100×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖16　斷裂樣品表面組織(500×，4%硝酸酒精溶液浸蝕)

圖18　斷裂樣品拋光形貌(100×，未浸蝕)

1.5硬度測(cè)試

對(duì)螺栓正常樣品和斷裂樣品進(jìn)行硬度測(cè)試，具體結(jié)果如表4所示。

對(duì)螺栓正常樣品和斷裂樣品進(jìn)行表面硬度和芯部硬度測(cè)試，具體結(jié)果如表5所示。

表4　硬度測(cè)試結(jié)果

表5　表面硬度和芯部硬度測(cè)試結(jié)果

1.6脫碳和增碳試驗(yàn)

對(duì)螺栓正常樣品和斷裂樣品進(jìn)行脫碳和增碳測(cè)試,測(cè)試結(jié)果如表6所示。

標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010要求：

未脫碳：HV(2)≥HV(1)-30

未增碳：HV(3)≤HV(1)+30

2分析與討論

經(jīng)斷口分析，在裝配48 h法蘭螺栓在頭部和桿部結(jié)合處發(fā)生自然斷裂，此處應(yīng)力面積大于螺紋處，斷裂處無(wú)明顯塑性變形。斷裂源于螺栓頭部和桿部結(jié)合處的外表面R角位置，并向螺栓中心擴(kuò)展。擴(kuò)展區(qū)(A、C區(qū))主要為沿晶脆性斷口，沿晶面上有明顯的塑性變形韌窩(雞爪痕)和微孔特征及大量的晶界分離溝槽，斷口中心B 區(qū)為塑性韌窩帶，此區(qū)為螺栓受力面積變小在靜載荷下產(chǎn)生的斷裂終斷區(qū)。綜合斷面形貌和斷裂背景情況，推斷此螺栓為氫脆延遲斷裂。

經(jīng)化學(xué)成分測(cè)試，斷裂樣品和正常樣品化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-1999對(duì)牌號(hào)40Cr的要求。

經(jīng)實(shí)物拉伸測(cè)試，正常樣品抗拉強(qiáng)度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010對(duì)10.9級(jí)螺栓要求。

經(jīng)金相檢測(cè)，正常樣品組織主要為正常的回火索氏體，螺栓表面有脫碳現(xiàn)象；斷裂樣品組織主要為正常的回火索氏體，斷裂處和基體組織無(wú)差異，斷口塑性韌窩位置和沿晶脆性區(qū)域組織無(wú)差異，螺栓表面有增碳現(xiàn)象。正常樣品及斷裂樣品齒部組織均有變形情況，說(shuō)明螺栓是先熱處理后成型的，非金屬夾雜物正常。

經(jīng)硬度檢測(cè)，斷裂樣品和正常樣品基體硬度符合標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3098.1-2010對(duì)10.9級(jí)螺栓要求，但正常樣品表面增碳嚴(yán)重不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

綜合力學(xué)性能、硬度和金相檢測(cè)結(jié)果，說(shuō)明螺栓熱處理工藝能符合螺栓強(qiáng)度要求，但淬火時(shí)保護(hù)氣氛碳勢(shì)控制不良導(dǎo)致螺栓表面增碳嚴(yán)重。

螺栓表面脫碳通常有利于延遲破壞性能的提高，但淬火時(shí)對(duì)于螺紋表面增碳是不允許的，會(huì)使螺栓強(qiáng)度增加而塑性下降，導(dǎo)致延遲斷裂。

螺栓熱處理后進(jìn)行的表面鍍鋅工藝，如果電鍍工藝控制不當(dāng)，除氫不徹底，將引起氫脆。而螺栓表面增碳現(xiàn)象將加重氫脆、延遲失效的敏感性。

3結(jié)論

綜合分析測(cè)試結(jié)果，此法蘭螺栓屬于氫脆延遲斷裂失效。斷裂主要原因?yàn)椋捍慊饡r(shí)碳勢(shì)控制不良造成螺栓表面增碳嚴(yán)重，而電鍍工藝氫原子的滲入導(dǎo)致裝配后的最終螺栓的氫脆斷裂。

改進(jìn)對(duì)策：改善熱處理品質(zhì)，控制好淬火加熱氣氛，并在電鍍后及時(shí)進(jìn)行去氫處理。

參考文獻(xiàn):

【1】張邦強(qiáng),謝娟.10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓斷裂分析[J].大型鑄造件,2010(6):15-17.

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【3】唐曉．熱浸鍍鋼材在海水中的氫滲透行為及其對(duì)材料力學(xué)性能的影響[D]．青島：中國(guó)科學(xué)院海洋研究所，2006．

10.9 Flange Bolt Fracture Analysis

LU Chongguang， LIU Shanlin

(Research & Development Center of Great Wall Motor Company，Automotive Engineering TechnicalCenter of Hebei，Baoding Hebei 071000,China)

Abstract:Appearance inspection, fracture analysis, chemical composition analysis, microstructure examination and hardness testing experiment were completed to a car fractured flange bolt. On the basis of physical and chemical testing, micro-fracture theory was used to comprehensively analyze fracture reasons of the bolt. It is concluded that poor carbon potential control when the bolt is quenched causes serious recarburation on the surface of the bolt, and plating process hydrogen atoms penetrating leads to the final hydrogen embrittlement fracture.

Keywords:Bolt; Fatigue fracture; Plating; Hydrogen embrittlement

收稿日期：2015-08-13

作者簡(jiǎn)介：盧寵光(1982—)，大學(xué)專(zhuān)科，助理工程師，主要負(fù)責(zé)汽車(chē)零部件的質(zhì)量提升及改進(jìn)。E-mail:lcgwzj@163.com。

中圖分類(lèi)號(hào):U483

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B

文章編號(hào)：1674-1986(2016)01-038-05