35CrMo汽車上臂螺栓斷裂原因分析

某汽車公司的汽車上臂螺栓在服役中發(fā)生早期斷裂，行駛里程約1500公里。供貨方要求對螺栓斷裂原因進行分析。

      螺栓材料為35CrMo，規(guī)格為M12×1.25×65-10.9，表面鍍黃鋅。 送檢樣品2件，均為斷裂螺栓尾部的一段，其中一件長度約30mm（以下稱為1號）；另一件尾部被車切去一段，剩余長度約20mm（以下稱為2號）。

一、檢驗結(jié)果

1. 外觀

      斷裂螺栓未見塑性變形，但牙頂明顯可見壓塌、磕傷痕跡。螺栓中部一段（距斷口約7扣處）明顯發(fā)黑，很明顯該段為擰入螺母中的區(qū)域。

2. 斷口

      對斷口進行體視顯微鏡和掃描電鏡觀察，兩個螺栓的斷口形貌基本相同（圖1），明顯可見疲勞海灘狀弧線。

      以1號斷口為例，斷口明顯分為3個區(qū)。Ⅰ區(qū)為疲勞源區(qū)，位于牙底表面，在該區(qū)存在多個剪切臺階，系牙底應力集中而引發(fā)的多個疲勞源區(qū)相交界面撕裂而成；Ⅱ區(qū)為疲勞裂紋擴展區(qū)；Ⅲ區(qū)為裂紋快速擴展區(qū)及瞬斷區(qū)（剪切唇）。在疲勞源區(qū)可見牙底存在的裂紋（圖2），在Ⅱ區(qū)的高倍放大形貌中可見疲勞輝紋（圖3），快速擴展的微觀形貌為細小韌窩及撕裂棱（圖4）。

3. 螺栓表面觀察

      去除螺栓表面的鍍鋅層后在掃描電鏡下觀察，可見絕大部分牙底均存在周向裂紋，兩個螺栓均如此（圖5中箭頭所指）。

4. 硬度

      1號螺栓為33.0HRC（三點平均） 2號螺栓為35.0HRC（三點平均）

5. 金相

      將斷裂螺栓沿中心線軸向剖開，利用顯微硬度法檢測脫碳層（G值和E值）。 1號螺栓：G＝0，E＝0.35mm 2號螺栓：G＝0，E＝0.41mm 圖6為螺栓表面脫碳層的金相組織。

       在剖面上可觀察到，幾乎所有的牙底存在明顯的裂紋，兩個螺栓的情況基本相同（圖6），這與螺栓表面掃描電鏡（圖5）所看到的情況吻合。裂紋的高倍放大形貌表明，該裂紋實際上是一種加工折疊，折疊方向為同一朝向，在折疊的缺口尖端誘生出細小的徑向裂紋。

螺栓材料的非金屬夾雜物主要為球狀不變形夾雜物，評定為1級（GB 10561-1989）（圖8）

      螺栓基體組織為均勻的保持馬氏體位向的回火索氏體組織（圖9），但在牙底折疊裂紋處由于脫碳而存在較多的鐵素體，該處的硬度為287HV0.3。

      另外，在1號螺栓的縱向金相磨面上，清晰可見一條淺色的貫穿螺栓全長的管狀偏析條帶（圖10），在該區(qū)存在較多的線點狀夾雜。而2號螺栓卻不存在上述現(xiàn)象。

二、分析

      檢驗結(jié)果表明，兩個螺栓的基體組織為正常的回火索氏體?；w硬度符合標準GB/T3098.1-2000中對10.9級螺栓所規(guī)定的32～39HRC的范圍。

      兩個螺栓的E值（1號為0.35mm，2號為0.41mm）均不符合上述標準所規(guī)定的最小值（0.0511mm），說明螺栓表面的半脫碳深度已經(jīng)超標。

      兩個螺栓的斷口存在明顯的海灘狀疲勞弧線和疲勞輝紋，表明螺栓的斷裂為疲勞破斷。最后斷裂區(qū)位于螺栓表面一側(cè)，由此可判斷。螺栓在使用過程中承受的是單向彎曲疲勞應力。從斷口中疲勞區(qū)和快速擴展區(qū)的相對大小來看，說明螺栓承受的是中等強度的外加載荷。

      斷裂的兩個螺栓牙底存在折疊缺口（圖7），折疊形成的尖銳缺口因應力集中可能會削弱螺栓的疲勞強度，因而極易在缺口尖端誘發(fā)疲勞裂紋的萌生，牙底折疊缺口在離斷口的第二個牙底就已經(jīng)存在，該處并未擰入螺母中，說明折疊并非是由于螺栓強迫擰入螺母而形成的（假定螺栓擰入螺母的部位可能產(chǎn)生此類折疊的話）。當然，在螺栓與螺母的裝配過程中，倘若由于某些原因出現(xiàn)強迫裝配的情況，在螺栓中將會形成過大的附加拉應力，無疑也會降低螺栓的壽命。

      在1號螺栓心部產(chǎn)生的管狀偏析帶，是由于原材料生產(chǎn)中出現(xiàn)的問題，盡管不是造成螺栓斷裂最直接的原因，但對螺栓的壽命有不利影響，在金相觀察中，發(fā)現(xiàn)位于偏析區(qū)的斷口區(qū)比正常區(qū)域存在多而深的二次裂紋證明了這一點。

三、結(jié)論

1. 兩個螺栓的斷裂屬于單向彎曲疲勞斷裂。 
2. 裂紋由螺栓牙底部的折疊尖銳缺口處開始擴展。

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