汽車高調(diào)滑板斷裂分析

汽車高調(diào)滑板斷裂原因分析（作者：美信檢測(cè)失效分析實(shí)驗(yàn)室）1引言圖1為3只國(guó)產(chǎn)滑板強(qiáng)度測(cè)試后圖片，均斷裂，其中一只國(guó)產(chǎn)滑板斷件仍留在托板上，未拆離。圖2為3只進(jìn)口滑板，左邊的2只，已做強(qiáng)度測(cè)試，沒(méi)有斷裂；右邊的1只，未做測(cè)試?？蛻粢蠓治鰢?guó)產(chǎn)件失效原因，為改善產(chǎn)品質(zhì)量提供依據(jù)。同時(shí)，提供5件新品國(guó)產(chǎn)件，供分析對(duì)比用。圖1.失效的國(guó)產(chǎn)滑板圖2.進(jìn)口滑板2檢查分析2.1外觀檢查如圖3、圖4所示，檢查圖中1#、2#失效滑板，都出現(xiàn)以螺孔位置為拐點(diǎn)的宏觀面彎曲變形，失效滑板斷裂位置、斷裂路徑、斷口顏色大致相同。如圖5所示，檢查未拆卸的3#滑板，也具有大致相同的斷裂特征。因此，確定三只國(guó)產(chǎn)滑板斷裂原因相同。如圖6所示，將1#失效件斷裂的兩部分拼合，發(fā)現(xiàn)螺栓不是垂直于滑板平面，而是沿滑板中心線傾斜。檢查其他強(qiáng)度試驗(yàn)件，都有同樣現(xiàn)象。如圖7所示，滑板斷口顏色為深灰色，無(wú)光澤，斷面不平。如圖8所示，貼有“進(jìn)口未破壞”黃色標(biāo)簽的滑板是進(jìn)口件，已做過(guò)測(cè)試；另外1件是新的國(guó)產(chǎn)件。如表1所示，測(cè)量比較發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)件D1、D2圓沿周向溝痕較深，并且圓的直徑大于進(jìn)口件對(duì)應(yīng)圓直徑d1、d2；D1(d1)到D2(d2)圓臺(tái)階高度H，國(guó)產(chǎn)件更大；D1-D2＞d1-d2，即國(guó)產(chǎn)件圓間距也大于進(jìn)口件，鋼板厚度則小于進(jìn)口件。分析認(rèn)為，同種材料條件下，圓周溝痕越深，直徑越大，D1(d1)到D2(d2)圓臺(tái)階越高，圓間距越寬，變形越大，應(yīng)力也越大，沿圓周開(kāi)裂的可能性越大。因此，國(guó)產(chǎn)件滑板在螺栓孔周邊變形應(yīng)力大于進(jìn)口件，國(guó)產(chǎn)件模具及壓力加工工藝有改善的空間。圖3.失效滑板斷口俯視檢查圖4.失效滑板斷口側(cè)面檢查圖5.3#失效件檢查圖6.拼合檢查圖7.斷口檢查圖8.進(jìn)口件與國(guó)產(chǎn)件表1：螺栓沉孔測(cè)量數(shù)據(jù)（mm）組別序號(hào)D1(d1)D2(d2)HT進(jìn)口件115.1813.280.865.06215.1413.170.905.08平均值15.1613.220.885.07國(guó)產(chǎn)件115.8213.451.114.71215.8913.441.104.71平均值15.8613.441.104.71備注H是D1(d1)到D2(d2)臺(tái)階高度，T是滑板螺栓孔最近滑板邊緣厚度；因測(cè)試件變形，測(cè)量數(shù)據(jù)僅供對(duì)比用，不做產(chǎn)品具體尺寸依據(jù)。2.2顯微檢查如圖9所示，斷口附近的螺紋根部凹陷變形，加工紋間距增寬，壁厚減薄。圖10、圖11中標(biāo)示出裂紋源所在的微觀和宏觀位置。如圖10所示，白色線條圈起的區(qū)域就是裂紋源區(qū)，存在較多微孔，是拉應(yīng)力條件下微孔聚合斷裂特征。圖中，有兩處裂紋擴(kuò)展方向，分別用箭頭A和B標(biāo)示。裂紋擴(kuò)展區(qū)A顏色深灰色，裂紋先擴(kuò)展，擴(kuò)展速度較慢；裂紋擴(kuò)展區(qū)B顏色偏淺，擴(kuò)展時(shí)間晚，擴(kuò)展的速度快。箭頭B起始處出現(xiàn)與箭頭線垂直的臺(tái)階，正是兩次裂紋擴(kuò)展相交線的結(jié)果。如圖12是對(duì)裂紋源區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)顏色較深，存在較多微孔，屬于微孔聚合型斷裂。在裂紋源區(qū)同樣觀察到大量白點(diǎn)聚集，在白點(diǎn)聚集的區(qū)域，斷裂速度快。分析，白點(diǎn)聚集是氫脆的基本特征。因此，確認(rèn)微孔聚合與氫脆并存是本次開(kāi)裂的基本特征。如圖13所示，裂紋沿螺紋根部附近周向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展路徑鋸齒形，開(kāi)裂面參差不平，具有沿晶走向特征。在圖14中，也能觀察到裂紋周向擴(kuò)展的痕跡。黑色區(qū)域是延性斷裂特征，白色區(qū)域白點(diǎn)聚集，斷口平直，脆性增大。圖9.螺紋根部變形檢查圖10.斷口檢查圖11.裂紋源區(qū)宏觀位置圖12.裂紋源區(qū)微孔特征圖13.螺紋根部附近裂紋沿圓周擴(kuò)展處圖14.裂紋擴(kuò)展觀察2.3金相檢查如圖15、圖16所示，隨機(jī)抽取1只新的國(guó)產(chǎn)滑板，對(duì)比檢查國(guó)產(chǎn)件與2#進(jìn)口件螺栓喇叭孔過(guò)渡圓角發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)件圓角小，過(guò)渡不圓滑，進(jìn)口件螺紋根部圓角大，圓角與邊緣線相切良好，沒(méi)有轉(zhuǎn)折。國(guó)產(chǎn)件的圓角過(guò)渡區(qū)結(jié)構(gòu)應(yīng)力大于進(jìn)口件。圖17、18是國(guó)產(chǎn)件與進(jìn)口件螺牙對(duì)比檢查，國(guó)產(chǎn)件螺紋根部過(guò)渡不圓滑，螺牙頂部較窄，應(yīng)力集中明顯；進(jìn)口件螺紋根部過(guò)渡圓滑，螺牙頂部寬，應(yīng)力集中明顯小于國(guó)產(chǎn)件。進(jìn)口件螺牙截面有圓孔，有助受力緩沖。考慮到解剖的進(jìn)口件是測(cè)試后的產(chǎn)品，目前也還未見(jiàn)此方面的理論及加工工藝介紹，所以在此不對(duì)螺牙截面中的圓孔做進(jìn)一步評(píng)論。如圖19所示，為國(guó)產(chǎn)件次表層金相組織，圖20是國(guó)產(chǎn)件心部金相組織。次表層和心部組織相差不大，為保持M位相的回火S+回火T，以及少量的B+極少量F。圖15.國(guó)產(chǎn)件根部圓角檢查（50X）圖16.進(jìn)口件根部圓角檢查（50X）圖17.國(guó)產(chǎn)件螺紋檢查圖18.進(jìn)口件螺紋檢查圖19.國(guó)產(chǎn)件邊緣組織（1000X）圖20.國(guó)產(chǎn)件心部組織（1000X）圖21為進(jìn)口件螺紋根部附近邊緣組織，其中方形框內(nèi)的顯微裂紋，起源于切割面，是制樣過(guò)程中形成的。圖22、圖23為螺紋根部附近心部金相組織。邊緣和心部均為：F+少量P+細(xì)小彌散析出的合金相。鐵素體基體中分布細(xì)小彌散的合金相，不但能提高基體的強(qiáng)度，而且有助于提高材料的延伸率。進(jìn)口滑板的金相組織檢查結(jié)果表明，該材料為一種具有高強(qiáng)度、高塑性的高強(qiáng)鋼。圖21.進(jìn)口件邊部組織（500X）圖22.進(jìn)口件心部組織（500X）圖23.進(jìn)口件心部組織（1000X）2.4硬度試驗(yàn)將新品國(guó)產(chǎn)件和進(jìn)口件2#，沿與滑板縱向垂直的直徑方向，剖開(kāi)螺栓孔，對(duì)比檢查剖面硬度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。國(guó)產(chǎn)件的硬度接近進(jìn)口件的2倍，依據(jù)GB/T1172換算成洛氏硬度為45.5HRC，高于圖紙（GTQ-YL190503）要求的38～42HRC。鋼的硬度越高，氫脆的危險(xiǎn)性越大。表2：滑板硬度檢查結(jié)果（HV0.3）檢測(cè)部位1234平均值進(jìn)口件心部248.8248.9235.5246.4244.9螺栓喇叭孔附近253.1255.8240.5239.8247.3國(guó)產(chǎn)件心部459.4436.5453.6443.8448.3螺栓喇叭孔附近447.3447.5442.2441.9444.72.4SEM分析如圖24所示，裂紋源區(qū)域是微孔及韌性的發(fā)絲，微觀上具有準(zhǔn)解離特征。如圖25所示，在裂紋擴(kuò)展區(qū)，是片狀裂紋結(jié)構(gòu)，與氫脆作用相關(guān)。如圖26所示，觀察到類似雞腳爪形狀的白色撕裂楞，進(jìn)一步證實(shí)國(guó)產(chǎn)滑板中確有氫脆存在。圖24.裂紋源區(qū)圖25.片狀裂紋結(jié)構(gòu)圖26.氫脆形貌特征2.5化學(xué)成分分析采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學(xué)成分，分析國(guó)產(chǎn)滑板鋼材料成分結(jié)果見(jiàn)表3，與GB/T3077對(duì)照，符合40CrA鋼元素含量范圍。表3：國(guó)產(chǎn)滑板鋼材化學(xué)元素分析結(jié)果(Wt%) 元素CSiMnPSCrNiCu高級(jí)優(yōu)質(zhì)鋼技術(shù)要求0.37～0.440.17～0.370.50～0.80≤0.025≤0.0250.80～1.10≤0.30≤0.25實(shí)測(cè)結(jié)果0.43120.20330.61090.01270.01520.97260.02230.03063理論分析滑板螺栓孔經(jīng)拉凸工序，拉伸變形較大，殘余拉應(yīng)力較大。強(qiáng)度測(cè)試前，因裝配螺栓增加預(yù)緊力，內(nèi)螺紋再次變形。強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，如圖27所示，滑板連接螺栓受力F總可分解為Fx和Fy兩個(gè)分力，其中螺栓受力Fy，反過(guò)來(lái)對(duì)滑板螺栓孔產(chǎn)生大小Fy拉力，每個(gè)內(nèi)螺牙分擔(dān)的力為Fy/n（n為內(nèi)螺紋螺牙個(gè)數(shù)）。設(shè)Fx到滑板厚度中間線的距離為H，則滑板受彎曲力矩M=Fx*H，滑板因此沿螺栓孔AB中心線面彎曲。受力分析發(fā)現(xiàn)，滑板在AB螺孔中心線位置附近的螺牙受力最大，變形最大?；謇瓤變?nèi)螺紋根部位置接近滑板厚度中心線，螺紋根部幾何突變，應(yīng)力集中較大，殘余應(yīng)力高，并且在內(nèi)螺紋大徑位置，滑板截面厚度最薄，受拉應(yīng)力變形時(shí)，容易出現(xiàn)頸縮。當(dāng)拉伸變形大于材料延伸率時(shí)，出現(xiàn)開(kāi)裂現(xiàn)象。這與顯微觀察到裂紋源處微孔聚合斷裂特征相吻合。圖27.滑板受力分析示意圖40Cr鋼拉伸變形能力有限。GB/T3077給出該材料調(diào)質(zhì)條件下，抗拉強(qiáng)度為980MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率為9%。對(duì)照GB/T1172發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度為980MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬度為31.5HRC。當(dāng)40Cr鋼硬度達(dá)到45.5HRC時(shí)，材料斷后伸長(zhǎng)率降低，低于調(diào)質(zhì)狀態(tài)時(shí)的9%。從檢查結(jié)果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)滑板材料有氫脆現(xiàn)象。40Cr鋼在高硬度時(shí)，氫脆的危險(xiǎn)性更高。電鍍時(shí)，H+向材料內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)裂紋經(jīng)過(guò)H+集聚區(qū)域，材料的脆性大，即使是在較低的應(yīng)力條件下，裂紋也能快速擴(kuò)展。從裂紋源區(qū)域的檢查分析結(jié)果來(lái)看，國(guó)產(chǎn)滑板開(kāi)裂兼有微孔聚合與氫脆特征。滑板強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，圖27中的AB截面受力最大。又由于滑板內(nèi)螺紋底徑處變形大，殘余應(yīng)力大，再加螺紋根部幾何突變，應(yīng)力集中，因此裂紋首先沿螺紋底徑周向擴(kuò)展。當(dāng)截面有效厚度減小到某個(gè)臨界值時(shí)，AB截面拉應(yīng)力開(kāi)始起主導(dǎo)作用，出現(xiàn)新的裂紋面，出現(xiàn)兩次裂紋擴(kuò)展面交叉的情況，隨后滑板快速斷裂。進(jìn)口滑板材料是高強(qiáng)度的沖壓材料，斷后拉伸率高，相同的條件下強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，不會(huì)斷裂。4結(jié)論綜合以上各項(xiàng)，得出國(guó)產(chǎn)滑板斷裂的原因?yàn)椋?）國(guó)