发罩锁钩断裂失效分析

贾仕博，郑琪，陈俐峰，赵清碧，郭秋彦

（吉利汽车研究院（宁波）有限公司，宁波 315336）

引言

我国是世界上最大的汽车市场之一，汽车制造业已经成为我国支柱产业[1]。汽车产业行业链条长，与其他行业联系紧密，对社会经济发展具有重要意义。2021年全国汽车类零售额达 4.4 万亿元，占全国社会消费品零售总额的 9.9 %；汽车制造业营收 8.67 万亿，占规模以上工业企业营收总额的 6.78 %。我国汽车产业在国民经济中的地位不断增强，已成为支撑经济持续快速增长的主要产业之一。然而随着国内汽车市场增速不断放缓，面对竞争日益激烈的国内汽车市场，以中低端产品为主的中国品牌汽车将面临严峻挑战。产品质量的控制成为各车企生存发展的基石，一些微小的质量问题也会受到客户的抱怨，影响车企的销量，因此各车企对产品质量控制视为企业的生命。

1 背景介绍

某在研车型在进行整车腐蚀耐久试验的验证中，检查发现前机舱发动机罩锁钩异常磨损，随后进行排查发现供应商未严格按照工艺要求进行相关渗碳处理，导致锁钩表面硬度不达标，造成磨损异常。后要求供应商按照工艺标准要求执行进行渗碳处理，供应商执行渗碳工艺后将锁钩送至生产基地，基地在装车过程中发现锁钩敲击断裂，随后对同批次的锁钩进行敲击试验，试验后锁钩均断裂。为分析锁钩敲击断裂原因，对该供应商的不同热处理工艺，不同材质四批次锁钩开展了化学成分、金相组织、硬度及能谱分析试验验证，以便推断分析出锁钩断裂的原因。

2 试验样件与方法

2.1 试验样件

本次失效分析的锁钩为供应商提供的20#钢三批次不同热处理工艺及10B21 一批次热处理工艺。具体样件状态见表1。其中，1～3 号试样为不同渗碳工艺，4 号试样为淬火+回火工艺。锁钩的相关技术要求见表2。开展的试验分析项目包括，材料化学成分、硬度、金相组织及能谱分析。

2.2 试验方法

材 料 的 化 学 成 分 采 用 直 读 光 谱 仪SPECTROMAXxMM16 按照GB/T4366 进行试验，金相组织采用Imager.M2m 金相显微镜按照GB/T 13289 试验标准进行试验，硬度采用维氏硬度计DuraScan 50 按照GB/T 430.2 标准进行测试，能谱分析采用X-MAX 150 设备按照GB/T 29556-2013 进行试验。试验设备信息见表3。

3 试验结果及分析

3.1 化学成分分析

对两种材质的锁钩进行化学成分分析，测试结果见表4，结果显示，两种材质均满足化学成分要求，化学成分合格。

3.2 金相组织分析

对4 批次试样的心部金相组织分析，金相照片见图1，1 号、2 号、3 号试样20#钢的心部组织均为铁素体+珠光体，这是由于1～3 号试样的20 钢采取先渗碳后进行的热处理工艺，提高表面的硬度和耐磨性能，心部组织保持原有组织具有较好的韧性。4 号试验10B21 的心部组织为回火索氏体。这是由于4 号试样采取的热处理工艺是淬火+回火，所以心部组织为回火索氏体。

图1 试样心部金相组织照片

1 号试样渗碳层深度为900.9 μm、870.6 μm、862.8 μm，2 号试样的渗碳层深度为275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 号试样的渗碳层深度为358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，4 号试样淬火工艺无渗碳层。渗碳层深度见图2。

图2 渗碳层深度金相照片

3.3 硬度分析

对4 批次试样进行洛氏硬度检测，检测结果见表5，1 号试样硬度为36、35、36 HRC，均值为35.6 HRC（符合技术要求），2 号和3 号试样的洛氏硬度均小于20 HRC（不符合技术要求），4 号试样的硬度为38、38、38 HRC，均值为38 HRC（符合技术要求）。对于2号和3 号试样硬度不符合原因分析为，渗碳层深度较小，2 号试样的渗碳层深度为275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 号试样的渗碳层深度为358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，洛氏硬度计打穿渗碳层，直接打在母材上，所以硬度为母材材质硬度，硬度偏低。针对上述问题，采用维氏硬度计在距离表面0.1 mm 处进行硬度检测，检测结果见表6，其中1 号试验硬度为520、529、526，2 号试样硬度为534、541、539，3 号试验硬度为588、584、581，4 号试样硬度为361、366、365。1～3 号试样换算后的表面硬度均超过技术要求（35～44）HRC。由于硬度值偏高，使得零件韧性下降断裂风险升高。

表5 洛氏硬度检测结果

表6 维氏硬度检测结果

3.4 能谱分析

对1 号、2 号、3 号试样进行能谱分析，结果见图3，结果显示渗碳层中的碳含量分别为6.69 %、9.54 %、3.64 %。确定为是渗碳工艺。

图3 能谱分析照片

4 结论

1） 通过对两种材质20#钢和10B21 的锁钩进行分析，两种材质锁钩的化学成分均符合技术标准要求。材质未使用错误。

2）1 号、2 号、3 号试样20#钢的心部组织均为铁素体+珠光体，这是由于1-3 号试样的20#钢采取的热处理工艺是表面渗碳后进行淬火+回火，渗碳后可以提锁钩表面的硬度和耐磨性能，心部组织保持原有组织的韧性。4 号试样10B21 的心部组织为回火索氏体。这是由于4 号试样采取的热处理工艺是淬火+回火，所以心部组织为回火索氏体。

3）对4 批次试样进行洛氏硬度检测，1 号试样硬度为36、35、36 HRC，均值为35.6 HRC（符合技术要求），2 号和3 号试样的洛氏硬度均小于20 HRC（不符合技术要求），4 号试样的硬度为38、38、38 HRC，均值为38 HRC（符合技术要求）。对于2 号和3 号试样硬度不符合原因分析为，渗碳层深度较小，2 号试样的渗碳层深度为275.4 μm、267.5 μm、276.6 μm，3 号试样的渗碳层深度为358.4 μm、358.2 μm、357.8 μm，洛氏硬度计打穿渗碳层，直接打在母材上，所以硬度为母材材质硬度，硬度偏低。针对上述问题，采用维氏硬度计在距离表面0.1mm 处进行硬度检测，其中1 号试验硬度为520、529、526，2 号试样硬度为534、541、539，3 号试验硬度为588、584、581，4 号试样硬度为361、366、365。1～3 号试样换算后的表面硬度均超过技术要求（35～44）HRC。由于硬度值偏高，使得零件韧性下降易断裂风险升高。

表7 渗碳层能谱分析结果

4）1 号、2 号、3 号试样的能谱分析结果显示，渗碳层中的碳含量分别为6.69 %、9.54 %、9.54 %。确定为是渗碳工艺。

5）通过对以上化学成分、金相组织、硬度及能谱分析，推断出锁钩敲击断裂可能有以下几种原因：20#钢的三种热处理工艺制定不合理或者工艺执行不到位，没有进行回火处理或者回火不充分，导致表面硬度过高，残余内应力未去除，敲击时断裂。

5 建议

1）目前锁钩技术要求中没有渗碳层深度要求，建议增加渗碳层深度技术要求，提高产品热处理工艺稳定性。

2）修改热处理工艺或者严格执行热处理工艺，渗碳后进行充分回火，去除内应力，确保硬度满足技术要求。

3）更换锁钩材料，10B21 材料热处理后能满足技术要求且未断裂。