分享：某型号新能源汽车悬架螺栓断裂原因

• 陈立云1, 2, 

• 1.

  盐城市质量技术监督综合检验检测中心，盐城 224056

• 2.

  江苏省市场监管重点实验室（海上风电装备质量与安全），盐城 224056

某型号新能源汽车悬架用六内角螺栓的材料为SCM435钢，性能等级为12.9级，该螺栓安装在拖曳臂式悬架上。螺栓制备过程为：冷镦成型→除磷→搓牙→热处理→发黑处理→终检[1]。该螺栓在动态检测过程中发生断裂。笔者采用一系列理化检验方法对该螺栓的断裂原因进行分析，并提出了改进建议，以避免该类问题再次发生。

1.   理化检验

1.1   宏观观察

图1是断裂和未断裂螺栓的宏观形貌。由图1可知：螺栓表面发黑，螺栓的断裂位置为其头杆结合处。该结合处的几何形状突变位置是应力集中区域，容易在动态载荷下产生裂纹并扩展。

图  1  断裂和未断裂螺栓的宏观形貌

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图2为断裂螺栓断面的宏观形貌。由图2可知：螺栓断面较为粗糙，未见疏松、夹杂等缺陷，局部存在锈蚀和蹭伤痕迹。

图  2  断裂螺栓断面宏观形貌

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1.2   化学成分分析

对断裂螺栓基体进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合JIS G 4053—2016《机械结构用低合金钢》对SCM435钢的要求。

Table  1.  断裂螺栓基体的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Mo	Cu	V
实测值	0.35	0.22	0.65	0.013	0.006 8	0.95	0.095	0.20	0.023	<0.002
标准值	0.33~0.38	0.15~0.35	0.6~0.9	≤0.03	≤0.03	0.9~1.2	≤0.25	0.15~0.30	0.30	-

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1.3   扫描电镜（SEM）及能谱分析

将螺栓断口用乙醇溶液超声清洗，然后置于扫描电镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：根据断面扩展纹路可以判断，Ⅰ区为断裂起始区域，Ⅰ区、Ⅱ区均呈沿晶断裂形貌；Ⅲ区主要呈韧窝断裂形貌。

图  3  螺栓断口SEM形貌

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对螺栓断口进行能谱分析，结果如图4所示。由图4可知：螺栓断口成分均为基体元素[2]。

图  4  螺栓断口的能谱分析结果

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图5为螺栓头部截面SEM形貌。图6为螺栓头部截面能谱分析结果。由图6可知：螺栓头部表层富含O、P、K等元素。图7为螺栓头部截面的面扫描分析结果，可见该区域的O、P元素分布与灰色氧化层相对应。

图  5  螺栓头部截面SEM形貌

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图  6  螺栓头部截面能谱分析结果

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图  7  螺栓头部截面的面扫描分析结果

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1.4   金相检验

图8为断裂螺栓断口截面低倍形貌。由图8可知：其头杆端和螺纹端断口相互耦合，未见明显变形流线。

图  8  断口截面低倍形貌

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图9，10分别为断裂螺栓头杆端和螺纹端断口截面微观形貌。由图9~10可知：其断口截面呈锯齿状，附近未见异常疏松、夹杂、老旧裂纹等缺陷，表层存在深灰色氧化层。

图  9  头杆端断口截面微观形貌

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图  10  螺纹端断口截面微观形貌

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图11，12分别为螺栓头杆端和螺纹端断口截面的显微组织形貌。由图11~12可知：螺栓的显微组织均为索氏体+极少量铁素体，在螺栓头部表层及起裂处表面均存在深度约为10 μm的白亮层[3]。

图  11  头杆端断口截面显微组织形貌

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图  12  螺纹端断口截面显微组织形貌

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断裂螺栓螺牙截面的微观形貌如图13所示。由图13可知：螺牙过渡区域加工质量良好，该区域的显微组织为索氏体+极少量铁素体，表层未见氧化脱碳层。

图  13  断裂螺栓螺牙截面的微观形貌

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依据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对断裂螺栓进行非金属夹杂物检测，结果如图14所示。由图14可知：断裂螺栓中夹杂物级别为A0.5、A0.5e、D1.0级，材料纯净度较好。

图  14  断裂螺栓非金属夹杂物微观形貌

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对未断裂螺栓进行金相检验，结果如图15所示。由图15可知：未断裂螺栓基体的显微组织为索氏体+极少量铁素体；未断裂螺栓表层存在晶界氧化层，深度约为27 μm，该区域的显微组织与基体一致，均为索氏体+极少量铁素体，表层存在深度约为26 μm的白亮层。

图  15  未断裂螺栓的微观形貌

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1.5   显微硬度测试

对未断裂螺栓进行显微硬度测试，结果分别为445，442，449 HV0.3，均值高于GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》对12.9级螺栓的要求。

2.   综合分析

螺栓断裂位置为头杆过渡处，螺栓断口均较为粗糙，未见疏松、夹杂、老旧裂纹等材料缺陷，局部存在挤压蹭伤痕迹。断裂螺栓的化学成分符合标准要求，材料纯净度较好。断裂起始位置为螺栓表面，断裂起始区和扩展区以沿晶断裂形貌特征为主，瞬断区主要为韧窝形貌，表明螺栓发生了一次脆性断裂，未发现疲劳断裂特征。螺栓基体组织为索氏体+极少量铁素体，显微硬度高于标准要求。热处理时回火温度偏低会使螺栓的硬度升高，从而材料的塑性降低[4]。

断裂螺栓头部表层存在深度约为26 μm的白亮层。螺栓螺牙过渡区加工质量良好，螺牙根部存在塑性变形流线，该处组织为索氏体+极少量铁素体，表层未见氧化脱碳层。在起裂处表面存在深度约为10 μm的白亮层。白亮层中P元素质量分数为1%，超出GB/T 3098.1—2010的标准要求（不大于0.030%），因此推断该白亮层为热处理前局部磷化膜未去除干净引起的渗磷层。螺栓表面残留的磷化膜会使螺栓在热处理过程中渗磷，螺栓近表面基体的磷元素含量增加，引起表面脆性显著增大，因此在热处理前必须进行去除磷化膜处理。

3.   结论

该螺栓具有一次脆性断裂特征，不具备疲劳断裂特征，断裂处为应力集中处。螺栓表面渗磷层的存在增大了表面脆性，在螺栓后续承受的异常载荷作用下，最终导致螺栓发生脆性断裂。此外，螺栓基体硬度偏高，导致材料塑性降低，进一步促进了螺栓的断裂。