汽车轮边减速器螺栓断裂失效分析

王吉洋 李琨 裕莉莉 刘柯军130011) (中国第一汽车股份有限公司研发总院,长春

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摘要:某商用车轮边减速器螺栓装配后在整车下线运输和库存过程中发生多起断裂事故。通过宏、微观断口检验和理化分析等方法对失效螺栓进行了检验,分析认为螺栓断裂性质为延迟开裂,原因是螺栓质量不合格,由于螺栓基体硬度偏高和表面增碳导致延迟开裂。关键词:轮边减速器螺栓 延迟开裂 表面增碳U461.7+1 B Doi:10.19710/j.cnki.1003-8817.20180055中图分类号: 文献标识码:

1 问题描述

轮边减速器作为重型汽车驱动桥传动系统的末端传动装置,具有减速增扭的作用[1],是车辆的重要组成部分。某商用车轮边减速器螺栓装配后在整车下线运输和库存过程中发生多起断裂事故,螺栓材ML35CRMO, 10.9料为 性能等级为 级。失效螺栓断裂R 1 2位置在螺栓螺根部 角处,宏观形貌见图 和图 。

2 试验结果及分析 2.1 断口宏观分析

该批次失效螺栓断口的宏观特征相似,螺栓3 4断口保存完整,螺栓断口宏观形貌见图 和图 。R从断口可以看出,裂纹源沿螺栓角根部发生及3 4分布,如图 和图 箭头所示,裂纹发生了快速扩5展并有棘轮状特征,如图 所示,断口呈典型的脆性断裂特征。

2.2 断口微观分析

ZEISS将螺栓断口用丙酮超声波清洗后,用MERLIN Compact扫描电子显微镜对断口进行分析。断口的裂纹源区和扩展区均呈现沿晶断裂特6 7征,并且存在大量的二次裂纹,如图 和图 所R示。螺栓角处还见有微裂纹,而且可见该裂纹倾斜与横截面呈一定角度,也为延迟开裂裂纹,见8图 所示。

2.3 常规理化检验

2.3.1 元素含量1)失效螺栓元素含量检验结果(表 符合ML35CRMO技术要求。

2.3.2 金相组织

将螺栓研磨、抛光后,利用金相显微镜分别在200 500放大 和 倍条件下观察,螺栓金相组织为回9)火索氏体(图 。对螺栓表面进行观察发现,螺栓10 11表面存在增碳现象,如图 和图 所示,且可见R螺栓角处存在闪电状的延迟开裂应力裂纹,裂10 11纹深度与增碳层基本相当,见图 箭头和图 、 图 所示。 2.3.3 硬度经检验,螺栓的硬度、心部硬度和表面硬度检2) GB/T 3098.1-2010 10.9验结果(表 均不符合 对 级螺栓的要求,螺栓表面硬度过高与表面增碳有对应关系。

2.3.4 再回火试验

按 GB/T 3098.1- 2010中规定的试验方法对螺栓进行再回火试验,试验后对相同区域进行硬度测试,再回火后螺栓同一区域硬度约下降10HV30

3), GB/T 3098.1- 2010 (表 符合 中的要求,但也说明失效螺栓在生产制造时可能存在回火不充分的现象。

3 失效原因分析

a.该批次失效螺栓经过装配后在运输和库存中发生断裂,并不是在工作状态下失效,断裂发生在很短时间内。根据宏观棘轮状脆性断口和微观沿晶断裂等特征判断该批次螺栓断裂性质为延迟断裂(延迟断裂是指在静止应力作用下的材料经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象[2] )。b.通过理化检验,该批次螺栓元素含量和基体金相组织未见异常,但螺栓硬度测试结果平均值391HV30,为 高于标准要求硬度范围值,(回火不充分)。而且通过表面硬度测试结果可以看出,表面硬度明显高于心部硬度,结合金相组织分析表明,螺栓表面已增碳。增碳使螺栓表面硬脆,塑性明显低于内部,也是引起螺栓脆断的原因。 c.源于螺帽根部的棘轮状多源性断口及微裂纹的存在,一方面表明了螺栓对延迟开裂有较高的敏感性,另一方面也表明对螺栓装配轴向拉应力及装配扭转载荷共同作用的敏感性,具体可见13图。

4 结束语

通过试验分析得出结论,该批失效螺栓的断裂性质为延迟开裂,其原因为基体硬度偏高和表面增碳。为了预防类似事故再次发生,应注意螺栓生产过程中的热处理工艺,适当调整炉内碳势、回火温度及回火时间。

参考文献:

[1] . [D].温爱伟 重型汽车轮边减速器的分析研究 山东:山, 2012.东大学[2] , , . [M].惠卫军 翁宇庆 董瀚 高强度紧固件用钢 北京:冶, 2009:33-34.金工业出版社

图1 失效螺栓宏观形貌

图2 失效螺栓断裂位置

图11 表面增碳层

图12 表面应力裂纹

图10 表面增碳层及微裂纹

图9 回火索氏体

图8 螺栓R角处微裂纹

图7 沿晶断口形貌

图6 沿晶断口形貌

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