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汽車高調滑板斷裂失效分析


摘要:

通過外觀觀察、顯微檢查、金相檢查、硬度檢查、SEM分析、化學成分分析方法,從材料、設計、制造工藝等方面入手,對比分析國產件和進口件滑板的異同,分析優劣性,找出國產滑板強度測試不合格的原因,為改善產品質量提供了技術支持。







關鍵詞:

失效分析,高調滑板,氫脆,外觀觀察,顯微檢查,金相檢查,硬度檢查,SEM分析,化學成分分析







案例正文

1  引言

圖1為3只國產滑板強度測試后圖片,均斷裂,其中一只國產滑板斷件仍留在托板上,未拆離。圖2為3只進口滑板,左邊的2只,已做強度測試,沒有斷裂;右邊的1只,未做測試。

 

客戶要求分析國產件失效原因,為改善產品質量提供依據。同時,提供5件新品國產件,供分析對比用。

 

失效分析 失效分析
圖1. 失效的國產滑板 圖2. 進口滑板

 

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,都出現以螺孔位置為拐點的宏觀面彎曲變形,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,確定三只國產滑板斷裂原因相同。

 

如圖6所示,將1#失效件斷裂的兩部分拼合,發現螺栓不是垂直于滑板平面,而是沿滑板中心線傾斜。檢查其他強度試驗件,都有同樣現象。

 

如圖7所示,滑板斷口顏色為深灰色,無光澤,斷面不平。

 

如圖8所示,貼有“進口未破壞”黃色標簽的滑板是進口件,已做過測試;另外1件是新的國產件。如表1所示,測量比較發現,國產件D1、D2圓沿周向溝痕較深,并且圓的直徑大于進口件對應圓直徑d1、d2;D1(d1)到D2(d2)圓臺階高度H,國產件更大;D1-D2>d1-d2,即國產件圓間距也大于進口件,鋼板厚度則小于進口件。分析認為,同種材料條件下,圓周溝痕越深,直徑越大,D1(d1)到D2(d2)圓臺階越高,圓間距越寬,變形越大,應力也越大,沿圓周開裂的可能性越大。因此,國產件滑板在螺栓孔周邊變形應力大于進口件,國產件模具及壓力加工工藝有改善的空間。

 

失效分析 失效分析
圖3. 失效滑板斷口俯視檢查 圖4. 失效滑板斷口側面檢查
失效分析 失效分析
圖5. 失效件檢查 圖6. 拼合檢查
失效分析 失效分析
圖7. 斷口檢查 圖8. 進口件與國產件

 

表1: 螺栓沉孔測量數據(mm)

組別 序號 D1(d1) D2(d2) H T
進口件 1 15.18 13.28 0.86 5.06
2 15.14 13.17 0.90 5.08
平均值 15.16 13.22 0.88 5.07
國產件 1 15.82 13.45 1.11 4.71
2 15.89 13.44 1.10 4.71
平均值 15.86 13.44 1.10 4.71
備注 (1)H是D1(d1)到D2(d2)臺階高度,T是滑板螺栓孔最近滑板邊緣厚度;
(2)因測試件變形,測量數據僅供對比用,不做產品具體尺寸依據。

 

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,白色線條圈起的區域就是裂紋源區,存在較多微孔,是拉應力條件下微孔聚合斷裂特征。圖中,有兩處裂紋擴展方向,分別用箭頭A和B標示。裂紋擴展區A顏色深灰色,裂紋先擴展,擴展速度較慢;裂紋擴展區B顏色偏淺,擴展時間晚,擴展的速度快。箭頭B起始處出現與箭頭線垂直的臺階,正是兩次裂紋擴展相交線的結果。

 

如圖12是對裂紋源區檢查,發現裂紋源區顏色較深,存在較多微孔,屬于微孔聚合型斷裂。在裂紋源區同樣觀察到大量白點聚集,在白點聚集的區域,斷裂速度快。分析,白點聚集是氫脆的基本特征。因此,確認微孔聚合與氫脆并存是本次開裂的基本特征。

 

如圖13所示,裂紋沿螺紋根部附近周向擴展,裂紋擴展路徑鋸齒形,開裂面參差不平,具有沿晶走向特征。在圖14中,也能觀察到裂紋周向擴展的痕跡。黑色區域是延性斷裂特征,白色區域白點聚集,斷口平直,脆性增大。

 

失效分析 失效分析
圖9. 螺紋根部變形檢查 圖10. 斷口檢查
失效分析 失效分析
圖11. 裂紋源區宏觀位置 圖12. 裂紋源區微孔特征
失效分析 失效分析
圖13. 螺紋根部附近裂紋沿圓周擴展處 圖14. 裂紋擴展觀察

 

2.3  金相檢查

如圖15、圖16所示,隨機抽取1只新的國產滑板,對比檢查國產件與2#進口件螺栓喇叭孔過渡圓角發現,國產件圓角小,過渡不圓滑,進口件螺紋根部圓角大,圓角與邊緣線相切良好,沒有轉折。國產件的圓角過渡區結構應力大于進口件。

 

圖17、18是國產件與進口件螺牙對比檢查,國產件螺紋根部過渡不圓滑,螺牙頂部較窄,應力集中明顯;進口件螺紋根部過渡圓滑,螺牙頂部寬,應力集中明顯小于國產件。進口件螺牙截面有圓孔,有助受力緩沖??紤]到解剖的進口件是測試后的產品,目前也還未見此方面的理論及加工工藝介紹,所以在此不對螺牙截面中的圓孔做進一步評論。

 

如圖19所示,為國產件次表層金相組織,圖20是國產件心部金相組織。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。

 

 

失效分析 失效分析
圖15. 國產件根部圓角檢查(50X) 圖16. 進口件根部圓角檢查(50X)
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圖17. 國產件螺紋檢查 圖18. 進口件螺紋檢查
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圖19. 國產件邊緣組織(1000X) 圖20. 國產件心部組織(1000X)

 

圖21為進口件螺紋根部附近邊緣組織,其中方形框內的顯微裂紋,起源于切割面,是制樣過程中形成的。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+細小彌散析出的合金相。鐵素體基體中分布細小彌散的合金相,不但能提高基體的強度,而且有助于提高材料的延伸率。進口滑板的金相組織檢查結果表明,該材料為一種具有高強度、高塑性的高強鋼。

 

失效分析 失效分析
圖21. 進口件邊部組織(500X) 圖22. 進口件心部組織(500X)
失效分析  
圖23. 進口件心部組織(1000X)  

 

2.4  硬度試驗

將新品國產件和進口件2#,沿與滑板縱向垂直的直徑方向,剖開螺栓孔,對比檢查剖面硬度,測量結果如表2所示。國產件的硬度接近進口件的2倍,依據GB/T 1172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,氫脆的危險性越大。

 

表2: 滑板硬度檢查結果(HV0.3)

檢測部位 1 2 3 4 平均值
進口件 心部 248.8 248.9 235.5 246.4 244.9
螺栓喇叭孔附近 253.1 255.8 240.5 239.8 247.3
國產件 心部 459.4 436.5 453.6 443.8 448.3
螺栓喇叭孔附近 447.3 447.5 442.2 441.9 444.7

 

2.5  SEM分析

如圖24所示,裂紋源區域是微孔及韌性的發絲,微觀上具有準解離特征。

 

如圖25所示,在裂紋擴展區,是片狀裂紋結構,與氫脆作用相關。

 

如圖26所示,觀察到類似雞腳爪形狀的白色撕裂楞,進一步證實國產滑板中確有氫脆存在。

 

失效分析 失效分析
圖24. 裂紋源區 圖25. 片狀裂紋結構
失效分析  
圖26. 氫脆形貌特征  

 

2.6  化學成分分析  

采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學成分,分析國產滑板鋼材料成分結果見表3,與GB/T 3077對照,符合40CrA鋼元素含量范圍。

 

表3:國產滑板鋼材化學元素分析結果(Wt%)

元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu
高級優質鋼技術要求 0.37~0.44 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.025 ≤0.025 0.80~1.10 ≤0.30 ≤0.25
實測結果 0.4312 0.2033 0.6109 0.0127 0.0152 0.9726 0.0223 0.0306

 

3  理論分析

滑板螺栓孔經拉凸工序,拉伸變形較大,殘余拉應力較大。強度測試前,因裝配螺栓增加預緊力,內螺紋再次變形。強度測試時,如圖27所示,滑板連接螺栓受力F總可分解為Fx和Fy兩個分力,其中螺栓受力Fy,反過來對滑板螺栓孔產生大小Fy拉力,每個內螺牙分擔的力為Fy/n(n為內螺紋螺牙個數)。

 

設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。

 

受力分析發現,滑板在AB螺孔中心線位置附近的螺牙受力最大,變形最大。

 

滑板喇叭孔內螺紋根部位置接近滑板厚度中心線,螺紋根部幾何突變,應力集中較大,殘余應力高,并且在內螺紋大徑位置,滑板截面厚度最薄,受拉應力變形時,容易出現頸縮。當拉伸變形大于材料延伸率時,出現開裂現象。這與顯微觀察到裂紋源處微孔聚合斷裂特征相吻合。

 

失效分析

圖27. 滑板受力分析示意圖

 

40Cr鋼拉伸變形能力有限。GB/T 3077給出該材料調質條件下,抗拉強度為980MPa時,對應的斷后伸長率為9%。對照GB/T 1172發現,抗拉強度為980MPa時,對應的硬度為31.5HRC。當40Cr鋼硬度達到45.5HRC時,材料斷后伸長率降低,低于調質狀態時的9%。

 

從檢查結果來看,國產滑板材料有氫脆現象。40Cr鋼在高硬度時,氫脆的危險性更高。電鍍時,H+向材料內部擴散。當裂紋經過H+集聚區域,材料的脆性大,即使是在較低的應力條件下,裂紋也能快速擴展。

 

從裂紋源區域的檢查分析結果來看,國產滑板開裂兼有微孔聚合與氫脆特征。

 

滑板強度測試時,圖27中的AB截面受力最大。又由于滑板內螺紋底徑處變形大,殘余應力大,再加螺紋根部幾何突變,應力集中,因此裂紋首先沿螺紋底徑周向擴展。當截面有效厚度減小到某個臨界值時,AB截面拉應力開始起主導作用,出現新的裂紋面,出現兩次裂紋擴展面交叉的情況,隨后滑板快速斷裂。

 

進口滑板材料是高強度的沖壓材料,斷后拉伸率高,相同的條件下強度測試時,不會斷裂。

 

4  結論

綜合以上各項,得出國產滑板斷裂的原因為:

1)國產滑板所用40Cr材料,原材料拉伸性能低,熱處理工藝不合理,硬度偏高,以及氫脆作用,降低拉伸性能,增大材料脆性;

2)國產滑板成型過程變形大,螺栓孔圓角過渡不圓滑,幾何形狀突變,應力集中程度高。

 

5  建議

1)建議滑板優先選用合適的高強度、高塑性的高強鋼材料。即使使用40CrA材料,最終熱處理硬度也不宜超過35HRC,推薦熱處理采用最終硬度為28~32HRC的調質熱處理工藝,并嚴格控氫;

2)對照進口滑板改善模具質量。




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