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    清潔度實驗案例

    汽車后橋穩定桿螺斷裂失效分析

    汽車后橋穩定桿螺斷裂失效分析

    40Cr鋼穩定桿螺栓,在汽車后橋上起到支撐穩定桿的作用,并以鎖緊螺母將穩定桿固定。穩定桿螺栓的加工工藝流程為:鋸床下料→熱加工鍛造→調質處理→桿部搓絲→鍍鋅處理。在服役過程中,穩定桿螺栓在鎖緊螺母的作用下,產生一個拉伸的縱向應力。隨著工件的服役承載,穩定桿產生較強的牽引,螺栓受到向右的側向拉應力。整車試行過程中,螺栓的桿部發生早期失效斷裂。該螺栓的使用周期極短,持續時間不足24h。斷裂部位位于圖示的A處,與桿部縱向近似垂直的橫向斷裂(見圖1)。

     

    1.宏觀檢測

     

    目測斷口的左側一半以上面積的區域色澤較淺,右側部位的色澤較深。斷口宏觀檢測,圖示左側為同心圓的多條圓弧推進線,這是疲勞擴展的斷口特征形貌,同心圓的圓心為疲勞源。斷口的右側呈放射狀快速斷裂特征,右側邊緣的傾斜部位為終斷區剪切唇(見圖2)。

    11.png 

    1 螺栓斷裂部位(實物)

    12.png 

    2 螺栓失效斷口(實物)

     

    2.化學分析

    斷裂失效件截取樣塊進行化學成分檢測,見表1。

     

    1 斷裂件化學成分(質量分數)(%)

    40Cr

    C

    Si

    Mn

    Cr

    S

    P

    標準值

    0.37~0.45

    0.17~0.37

    0.50~0.80

    0.80~1.10

    ≤0.035

    ≤0.035

    實測值

    0.37

    0.18

    0.66

    0.97

    0.008

    0.019

     

    3.力學性能

    庫存產品抽取3件進行力學性能試驗檢測,見表2。

     

    2 抽樣力學性能檢測

    要求

    抗拉強度≥1039.66N/mm2

    表面硬度32~39HRC

    結論

    1#

    1141

    37.4

    合格

    2#

    1164

    37.1

    合格

    3#

    1149

    37.2

    合格

     

    4.金相檢驗

     

    用掃描電鏡對斷口進行檢查,在裂紋源附近可見大量放射狀條紋。放射狀條紋的收斂處,明顯指出裂紋源位于穩定桿螺栓的表面。工件的表面有許多斷續分布的大小不一的凹槽及剝落坑,在裂紋源左側有兩塊較大的并排分布的剝落坑,剝落坑的下面可見多源臺階條紋,這種多源臺階條紋屬于應力集中的典型特征。在放射狀條紋的突起處,明顯分布數量眾多的顆粒狀產物,這種細小的顆粒狀產物,經檢測確認為A類非金屬夾雜物,屬于典型的硫化物夾雜。(見圖3)。心部調質區域的斷口檢查,掃描電鏡觀察結果顯示為韌性斷裂,圖片顯示以韌窩及撕裂棱的特征形貌為主。在韌窩的底部同樣存在顆粒狀及條狀硫化物夾雜(見圖4)。

     13.png

    3  裂紋源斷口形貌

     14.png

    4  心部斷口形貌 

    在試樣的表層存在一條細微的傾斜裂紋,裂紋兩側有較嚴重的脫碳層。裂紋間隙內明顯可見凸出的圓弧狀晶粒自由表面,裂紋內為斷續分布的孔洞,這是組織疏松和氣泡的特征形態。綜合以上組織特征可以斷定,該裂紋為原材料表層皮下氣泡引起的折疊裂紋(見圖5)。折疊裂紋的表層附近,有一條與工件表面垂直的微裂紋,裂紋擴展呈周期往復的曲折狀穿晶形態,這種形式的穿晶微裂紋,屬于疲勞擴展的特征形貌(見圖6)。

    15.png

    5 折疊裂紋全貌(40×)

     16.png 

      圖6  折疊裂紋開口(400×)

    樣塊左側的表層相距不足10mm長度范圍內,斷續分布數十條表面微裂紋,裂紋沿表層圓弧狀凹坑底部開裂。根據金相組織檢查初步推斷,表層的凹坑是工件表面鍍鋅過程中,酸洗時間過長留下的腐蝕坑。表面微裂紋的深度在0.10~0.20mm。表層密集分布的黑色點狀組織是表面鍍鋅層,白亮色塊狀組織為脫碳層中的鐵素體組織。經測量鍍鋅層為0.04mm,脫碳層為0.10mm,其中全脫碳層為0.04mm,半脫碳層為0.06mm(見圖7)。樣塊右側的表層灰黑色鍍鋅層更加明顯。右側的脫碳層深度與左側的脫碳層相近,心部組織仍然是保持馬氏體位向的索氏體組織(見圖8)。

    17.png 

    7  左側表層組織(400×)

    18.png 

     圖8   右側表層組織(400×)

    斷口開裂初期呈平直的穿晶狀態,這種穿晶形態屬于疲勞擴展的特征形貌。表層及次表層組織為調質狀態的馬氏體位向索氏體,馬氏體位向的組織較為粗大(見圖9)。裂紋擴展后期,斷口呈凹凸不平的沿晶斷裂特征。沿粗大斷口的凸出晶粒表面,斷續分布大小不等的圓弧凹坑,這是典型的沿晶韌窩斷口形貌,屬于過熱特征組織。斷口附近有非金屬夾雜物熔融的孔洞,表明原始軋制或鍛造溫度過高,硫化物夾雜已經熔化為孔洞,顯著降低了材料強度,增加材料脆性(見圖10)。

    19.png 

    9  裂紋穿晶組織(400×)

    20.png 

    10  裂紋沿晶組織(400×)

    在樣塊的右側裂紋擴展終斷區,晶粒呈脫落狀態,晶粒間硫化物夾雜熔融的晶間熔洞組織更為明顯。由于晶間熔洞的形成,晶間結合力顯著降低,材料組織脆性增大,終斷區斷口受擠壓產生沿晶脆斷(見圖11)。裂紋終斷區的表層處纖維狀組織較為嚴重,脫碳層區域鐵素體已經被拉成長條狀。外表層的纖維組織是斷口延伸的塑性變形層,圖示上部更加嚴重的纖維組織是斷口擠壓的變形層。近表層附近的脫碳層的存在,強度急劇降低,韌性顯著增加,斷口撞擊擠壓處顯示出塑性變形的特征。

    21.png 

    11 脆性斷口組織(400×)

    22.png 

    12 擠壓變形組織(400×)

    5.結論分析

    穩定桿螺栓斷裂,是由于外表層受到螺母擰緊的縱向拉伸應力,以及穩定桿向右側牽引的側向應力,于是在工件的右側增加了雙向的拉應力。表面疲勞裂紋形成于拉應力處,產生在強度最低的缺陷部位,工件的表面脫碳層顯著降低材料的表面強度。在服役承載的交變應力作用下,由較深的腐蝕坑底部引發了應力集中產生疲勞裂紋源。疲勞裂紋沿同心圓的弧形推進線向前延伸,向穩定桿螺栓桿部中心部位擴展。當應力增大到峰值時,便在斷口中心部位形成多源臺階的應力集中開裂,并呈放射狀條紋迅速擴展至斷裂。軋制或鍛造的過熱組織晶粒粗大,晶間結合力顯著降低。非金屬夾雜物熔融的晶間熔洞組織,進一步降低材料強度,增加材料脆性,最終導致工件在極短的時間內,由疲勞擴展至沿晶脆性斷裂。

     

    皮下氣泡形成的折疊裂紋也會產生疲勞擴展的裂紋源,較深的裂紋造成很高的應力集中,甚至可以使裂紋迅速擴展至斷裂。只是由于皮下氣泡折疊裂紋未處于拉應力最強的部位,裂紋沒有繼續擴展的推動力。如果該裂紋位于拉應力中心,失效斷裂的時間將會更短。

     

     


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