钢板弹簧中心螺栓断裂原因分析

2018-12-24李云霞周爱兵

装备制造技术 2018年10期

李云霞，周爱兵

（柳州五菱汽车工业有限公司山东分公司，山东青岛266555）

钢板弹簧是汽车悬架中应用最广泛的一种弹性元件，起到减震和导向作用，中心螺栓用于连接钢板弹簧各弹簧片，并保证装配时各片的相对位置。在装配现场，偶发一例钢板弹簧中心螺栓断裂的情形，断裂螺栓的安装位置如图1所示。该螺栓图纸设计要求为45#钢调质处理，硬度248~302 HB，螺栓规格M6mm×12 mm.通过对断裂螺栓进行一系列理化检验，分析其断裂的原因。

图1 断裂螺栓的安装位置

1 理化检验

1.1 宏观检验

螺栓断口的宏观形貌如图2所示，从样品宏观照片可以看出，螺栓断列于螺栓头根部（螺栓头已经在现场遗失），断裂前螺栓无塑性变形，断口呈金属光泽，断裂面呈河流花样，沿箭头方向呈放射线发散状，由此判断该断裂为脆性断裂，放射线的收敛处为断裂的起源位置。

图2 断裂螺栓的宏观形貌

1.2 化学成分分析

沿断裂螺栓的横截面切取试样，利用台式直读光谱仪进行基体材料的化学成分分析，结果见表1.可见断裂螺栓的化学成分不符合GB/T3077-1999[1]对45#钢的要求，实际为低碳钢，碳含量的减少降低了螺栓的机械性能。

表1 断裂螺栓的化学成分（质量分数）

1.3 硬度测试

在螺栓的横截面截取试样，使用数显布氏硬度计对其进行硬度测试，测试结果为156~158 HBW2.5/187.5，图纸要求硬度为248~302 HB，测试结果不符合图纸设计要求，硬度过低，使得螺栓的强度较低。

1.4 金相检验

在断裂螺栓的纵截面截取金相试样，经镶嵌、磨拋后，置于光学显微镜下进行观察，发现含有较多的氧化物、硅酸盐、硫化物等非金属夹杂物，如图3.大量非金属夹杂物的存在，会明显降低材料的韧性。

图3 断裂螺栓抛光态形貌

用体积分数4%的硝酸酒精溶液浸蚀试样，置于光学显微镜下观察，发现其金相组织为铁素体+珠光体，如图4，说明该螺栓未经调质处理，不符合图纸要求。

图4 基体显微组织形貌

1.5 断口分析

将螺栓的断口清洗干净后，使用扫描电镜（SEM）进行观察，断口扩展区断裂形貌呈解理花样，证明了该螺栓是脆性断裂。裂纹源区断口形貌见图5.图5（a）箭头所指位置有个较大的颗粒嵌在其中，其尺寸约为80 μm ×20 μm，且其导电性较差，疑为非金属夹杂物，图5（c）箭头所指位置亦疑为非金属夹杂物。

图5 断口的微观形貌

使用能谱分析仪分别对图5（b）大块夹杂物和图5（c）裂纹源附近夹杂物进行能谱分析，以确定夹杂物的成分，分析结果见图6和图7.

图6 大块夹杂物能谱分析结果

图7 裂纹源附近夹杂物能谱分析结果

通过此两处的成分分析结果可以看出，夹杂物中氧、硅、锰、铁、碳等元素含量比较高，此夹杂可能含有硅酸盐、氧化物、硫化物等夹杂物，这表明在裂纹源周围存在的较多的大尺寸非金属夹杂物，降低了工件的强度，是引发失效的潜在原因。

2 分析与讨论

上述理化检验结果表明，断裂螺栓的化学成分不符合标准对45#钢的技术要求，硬度低于技术要求，金相组织也不符合调质处理工艺要求[2]。

调质处理是指淬火加高温回火的双重热处理方法，调质处理后得到回火索氏体。调质处理的目的是使工件具有良好的综合机械性能。45#钢淬火后的高温回火，加热温度通常为560~600℃，硬度为HRC22~34.因为调质的目的是得到综合机械性能，所以硬度范围比较宽，但图纸有硬度要求的，就要按图纸要求调整回火温度，以保证硬度。

断口分析结果显示，螺栓断口无明显塑性变形，呈脆性断裂特征，断口周围存在大量的非金属夹杂物[3]。

非金属夹杂物按照化学成分分为氧化物系夹杂物、硫化物系夹杂物和氮化物系夹杂物。硫化物的危害有：一降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能；二降低了钢的耐腐蚀性。氧化物和硅酸盐的危害有：一方面使钢的横向力学性能恶化；另一方面使钢的切削加工性能下降，从而降低了钢的塑性、韧性和抗疲劳性能。氮化物会使钢的脆性明显增加。

非金属夹杂物的存在，使钢在加工变形时其金属基本的连续性被破坏，钢的力学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能就会降低。非金属夹杂物导致应力集中，引起断裂；数量多且分布不均匀的夹杂物会明显降低钢的塑性、韧性、焊接性能以及耐腐蚀性等。