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首頁(yè) 質(zhì)量分析

汽車(chē)方向盤(pán)自擠螺釘斷裂失效分析

要:采用掃描電鏡、金相檢驗、顯微硬度、化學(xué)成分分析、氫脆預載荷試驗等方法對某型號乘用車(chē)方向盤(pán)固定螺釘的斷裂原因進(jìn)行了分析。結果表明,螺釘的斷裂性質(zhì)是氫致延遲斷裂,裂紋起源于螺釘頭下第一牙底。電鍍后驅氫不充分致使螺釘表層殘留較高濃度的氫,表面滲碳層及首牙處的應力集中構成了導致氫脆三個(gè)敏感因素。

汽車(chē)用緊固件相對于普通緊固件具有更高的安全性、可靠性要求高,汽車(chē)主機廠(chǎng)通常會(huì )要求其供應商提供的緊固件產(chǎn)品零缺陷,因為車(chē)輛在高速運行過(guò)程中,即使一個(gè)不起眼的螺釘斷裂也可能造成嚴重的安全事故。某型號乘用車(chē)在試車(chē)時(shí),用于固定方向盤(pán)的螺釘發(fā)生斷裂,廠(chǎng)方要求分析斷裂原因。該螺釘為一自擠螺釘,螺紋公稱(chēng)直徑3.5mm,材質(zhì)為SAE1022 ,表面滲碳后又經(jīng)電鍍鋅處理。

1 理化檢驗

1.1斷口分析

1所示為斷裂螺釘斷面宏觀(guān)形貌,該螺釘在一鎂合金被連接部件上自攻螺紋安裝,發(fā)現時(shí)螺釘頭部已掉落丟失,圖中所示為還未取出的斷裂殘件,其斷口平齊,隱約可見(jiàn)發(fā)散性條紋收斂于斷面右側邊緣。

1.3 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP)對螺釘部分殘樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結果如表1所示,其化學(xué)成分與“SAE J430-2001”標準中1022鋼的要求相比,碳含量偏高,這可能是由于螺釘表面滲碳的緣故。

1 斷裂螺釘化學(xué)成分(質(zhì)量分數, %

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

化學(xué)元素

C

Si

Mn

P

S

標準規定

0.170.23

≤0.10

0.701.00

≤0.030

≤0.035

檢測值

0.28

0.06

0.80

0.016

0.010

1.2 氫含量測定

取斷裂試樣殘件和完好試樣進(jìn)行氫含量測定,據生廠(chǎng)家介紹,該批螺釘在電鍍后已經(jīng)做過(guò)200保溫4小時(shí)的驅氫處理,但檢測結果顯示,該批螺釘氫含量仍處于較高水平。

2 螺釘氫含量

Tab.2 Hydrogen content of the screws

試樣

氫含量/ ppm

斷裂試樣

12.5

完好試樣

10.0、9.5、11.3

為了進(jìn)一步驗證螺釘是否有氫脆傾向,根據GB/T 3098.17-2000進(jìn)行檢查氫脆預載荷試驗,在保載48小時(shí)候后未發(fā)現螺釘斷裂,但仔細觀(guān)察后發(fā)現,多處螺紋部位已斷裂或產(chǎn)生裂紋,如圖7(a)所示。將螺紋斷裂面放大后可見(jiàn)其斷口為沿晶斷裂形貌,晶間有二次裂紋,晶面上有大量雞爪形撕裂痕,為典型的氫脆斷口形貌,如圖7(b)所示。

2.綜合分析

以上分析結果表明,螺栓斷口平齊,無(wú)明顯塑性變形,斷口邊緣為冰糖狀沿晶形貌,晶面上有大量雞爪形撕裂紋;芯部為準解理形貌,這些都是氫脆斷裂的典型特征。同時(shí),螺釘中也檢測到了較高濃度的氫,檢查氫脆預載荷試驗結果也表明螺釘滲碳層是氫脆敏感區。

氫脆斷裂是緊固件產(chǎn)品失效機理中比較常見(jiàn)的一種,是零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下導致的失效。它是由于氫滲入金屬內部導致的不可逆損傷,它無(wú)征兆,具有突發(fā)性,因此,氫脆斷裂具有極大的破壞性。影響氫脆的因素主要有:鋼的含碳量、顯微組織、鋼的強度、硬度及所受應力等。鋼的含碳量越高,強度越大,硬度越高,所受應力越大則氫脆敏感性就越高 [1]。在本案例中,螺釘在整個(gè)制作過(guò)程中經(jīng)歷了電鍍工藝,致使氫滲入螺釘表層,雖然在電鍍后經(jīng)過(guò)驅氫處理,但螺釘中的氫含量仍處于較高水平,這可能是由于表面鍍層對內部氫的逸出起到了一定的阻礙作用[2,3]。由于氫在材料內部分布并不均勻,會(huì )在材料的微觀(guān)缺陷及應力較大處富集,頭下第一牙處,為應力較大部位,在載荷的作用下,氫與局部應力交互作用,在此處形成氫的局部高濃度富集(遠高于所檢測的平均氫濃度);而且螺釘表層經(jīng)滲碳淬火后的高碳、高硬度組織具有較高的氫脆敏感性,致使氫致裂紋在滲碳層萌生并向內擴展,最終導致螺釘斷裂。

3.結論

該螺釘的斷裂性質(zhì)是氫致延遲斷裂,裂紋起源于滲碳層,驅氫不充分和滲碳層過(guò)厚是導致該螺釘氫脆斷裂的根本原因,建議廠(chǎng)家在不影響鍍層質(zhì)量的前提下適當提高驅氫溫度、延長(cháng)保溫時(shí)間,滲碳層厚度則宜控制在標準規定的下限。

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