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汽車方向盤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、化學成分分析、氫脆預載荷試驗等方法對某型號乘用車方向盤固定螺釘的斷裂原因進行了分析。結果表明,螺釘的斷裂性質是氫致延遲斷裂,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敏感因素。

汽車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,汽車主機廠通常會要求其供應商提供的緊固件產品零缺陷,因為車輛在高速運行過程中,即使一個不起眼的螺釘斷裂也可能造成嚴重的安全事故。某型號乘用車在試車時,用于固定方向盤的螺釘發生斷裂,廠方要求分析斷裂原因。該螺釘為一自擠螺釘,螺紋公稱直徑3.5mm,材質為SAE1022 ,表面滲碳后又經電鍍鋅處理。

1 理化檢驗

1.1斷口分析

1所示為斷裂螺釘斷面宏觀形貌,該螺釘在一鎂合金被連接部件上自攻螺紋安裝,發現時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,隱約可見發散性條紋收斂于斷面右側邊緣。

1.3 化學成分分析

采用電感耦合等離子發射光譜法(ICP)對螺釘部分殘樣進行化學成分分析,結果如表1所示,其化學成分與“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 斷裂螺釘化學成分(質量分數, %

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

化學元素

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行氫含量測定,據生廠家介紹,該批螺釘在電鍍后已經做過200保溫4小時的驅氫處理,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

為了進一步驗證螺釘是否有氫脆傾向,根據GB/T 3098.17-2000進行檢查氫脆預載荷試驗,在保載48小時候后未發現螺釘斷裂,但仔細觀察后發現,多處螺紋部位已斷裂或產生裂紋,如圖7(a)所示。將螺紋斷裂面放大后可見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,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品失效機理中比較常見的一種,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,它無征兆,具有突發性,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,螺釘在整個制作過程中經歷了電鍍工藝,致使氫滲入螺釘表層,雖然在電鍍后經過驅氫處理,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,會在材料的微觀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厚是導致該螺釘氫脆斷裂的根本原因,建議廠家在不影響鍍層質量的前提下適當提高驅氫溫度、延長保溫時間,滲碳層厚度則宜控制在標準規定的下限。

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