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#熒光光譜儀#汽車后橋穩定桿螺斷裂失效分析

40Cr鋼穩定桿螺栓 ， 在汽車后橋上起到支撐穩定桿的作用 ， 并以鎖緊螺母將穩定桿固定 。 穩定桿螺栓的加工工藝流程為：鋸床下料→熱加工鍛造→調質處理→桿部搓絲→鍍鋅處理 。 在服役過程中 ， 穩定桿螺栓在鎖緊螺母的作用下 ， 產生一個拉伸的縱向應力 。 隨著工件的服役承載 ， 穩定桿產生較強的牽引 ， 螺栓受到向右的側向拉應力 。 整車試行過程中 ， 螺栓的桿部發生早期失效斷裂 。 該螺栓的使用周期極短 ， 持續時間不足24h 。 斷裂部位位于圖示的A處 ， 與桿部縱向近似垂直的橫向斷裂（見圖1） 。

1.宏觀檢測

目測斷口的左側一半以上面積的區域色澤較淺 ， 右側部位的色澤較深 。 斷口宏觀檢測 ， 圖示左側為同心圓的多條圓弧推進線 ， 這是疲勞擴展的斷口特征形貌 ， 同心圓的圓心為疲勞源 。 斷口的右側呈放射狀快速斷裂特征 ， 右側邊緣的傾斜部位為終斷區剪切唇（見圖2） 。

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圖1螺栓斷裂部位（實物）

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圖2螺栓失效斷口（實物）

3.化學分析

斷裂失效件截取樣塊進行化學成分檢測 ， 見表1 。

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4.力學性能

庫存產品抽取3件進行力學性能試驗檢測 ， 見表2 。

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5.金相檢驗

用掃描電鏡對斷口進行檢查 ， 在裂紋源附近可見大量放射狀條紋 。 放射狀條紋的收斂處 ， 明顯指出裂紋源位于穩定桿螺栓的表面 。 工件的表面有許多斷續分布的大小不一的凹槽及剝落坑 ， 在裂紋源左側有兩塊較大的并排分布的剝落坑 ， 剝落坑的下面可見多源臺階條紋 ， 這種多源臺階條紋屬于應力集中的典型特征 。 在放射狀條紋的突起處 ， 明顯分布數量眾多的顆粒狀產物 ， 這種細小的顆粒狀產物 ， 經檢測確認為A類非金屬夾雜物 ， 屬于典型的硫化物夾雜 。 （見圖3） 。 心部調質區域的斷口檢查 ， 掃描電鏡觀察結果顯示為韌性斷裂 ， 圖片顯示以韌窩及撕裂棱的特征形貌為主 。 在韌窩的底部同樣存在顆粒狀及條狀硫化物夾雜（見圖4） 。

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圖3裂紋源斷口形貌

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圖4心部斷口形貌

在試樣的表層存在一條細微的傾斜裂紋 ， 裂紋兩側有較嚴重的脫碳層 。 裂紋間隙內明顯可見凸出的圓弧狀晶粒自由表面 ， 裂紋內為斷續分布的孔洞 ， 這是組織疏松和氣泡的特征形態 。 綜合以上組織特征可以斷定 ， 該裂紋為原材料表層皮下氣泡引起的折疊裂紋（見圖5） 。 折疊裂紋的表層附近 ， 有一條與工件表面垂直的微裂紋 ， 裂紋擴展呈周期往復的曲折狀穿晶形態 ， 這種形式的穿晶微裂紋 ， 屬于疲勞擴展的特征形貌（見圖6） 。

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圖5折疊裂紋全貌（40×）

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圖6折疊裂紋開口（400×）

樣塊左側的表層相距不足10mm長度范圍內 ， 斷續分布數十條表面微裂紋 ， 裂紋沿表層圓弧狀凹坑底部開裂 。 根據金相組織檢查初步推斷 ， 表層的凹坑是工件表面鍍鋅過程中 ， 酸洗時間過長留下的腐蝕坑 。 表面微裂紋的深度在0.10～0.20mm 。 表層密集分布的黑色點狀組織是表面鍍鋅層 ， 白亮色塊狀組織為脫碳層中的鐵素體組織 。 經測量鍍鋅層為0.04mm ， 脫碳層為0.10mm ， 其中全脫碳層為0.04mm ， 半脫碳層為0.06mm（見圖7） 。 樣塊右側的表層灰黑色鍍鋅層更加明顯 。 右側的脫碳層深度與左側的脫碳層相近 ， 心部組織仍然是保持馬氏體位向的索氏體組織（見圖8） 。

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圖7左側表層組織（400×）

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圖8右側表層組織（400×）

斷口開裂初期呈平直的穿晶狀態 ， 這種穿晶形態屬于疲勞擴展的特征形貌 。 表層及次表層組織為調質狀態的馬氏體位向索氏體 ， 馬氏體位向的組織較為粗大（見圖9） 。 裂紋擴展后期 ， 斷口呈凹凸不平的沿晶斷裂特征 。 沿粗大斷口的凸出晶粒表面 ， 斷續分布大小不等的圓弧凹坑 ， 這是典型的沿晶韌窩斷口形貌 ， 屬于過熱特征組織 。 斷口附近有非金屬夾雜物熔融的孔洞 ， 表明原始軋制或鍛造溫度過高 ， 硫化物夾雜已經熔化為孔洞 ， 顯著降低了材料強度 ， 增加材料脆性（見圖10） 。

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圖9裂紋穿晶組織（400×）

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圖10裂紋沿晶組織（400×）

在樣塊的右側裂紋擴展終斷區 ， 晶粒呈脫落狀態 ， 晶粒間硫化物夾雜熔融的晶間熔洞組織更為明顯 。 由于晶間熔洞的形成 ， 晶間結合力顯著降低 ， 材料組織脆性增大 ， 終斷區斷口受擠壓產生沿晶脆斷（見圖11） 。 裂紋終斷區的表層處纖維狀組織較為嚴重 ， 脫碳層區域鐵素體已經被拉成長條狀 。 外表層的纖維組織是斷口延伸的塑性變形層 ， 圖示上部更加嚴重的纖維組織是斷口擠壓的變形層 。 近表層附近的脫碳層的存在 ， 強度急劇降低 ， 韌性顯著增加 ， 斷口撞擊擠壓處顯示出塑性變形的特征 。 #熒光光譜儀#汽車后橋穩定桿螺斷裂失效分析

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圖11脆性斷口組織（400×）

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圖12擠壓變形組織（400×）

6.結論分析

穩定桿螺栓斷裂 ， 是由于外表層受到螺母擰緊的縱向拉伸應力 ， 以及穩定桿向右側牽引的側向應力 ， 于是在工件的右側增加了雙向的拉應力 。 表面疲勞裂紋形成于拉應力處 ， 產生在強度最低的缺陷部位 ， 工件的表面脫碳層顯著降低材料的表面強度 。 在服役承載的交變應力作用下 ， 由較深的腐蝕坑底部引發了應力集中產生疲勞裂紋源 。 疲勞裂紋沿同心圓的弧形推進線向前延伸 ， 向穩定桿螺栓桿部中心部位擴展 。 當應力增大到峰值時 ， 便在斷口中心部位形成多源臺階的應力集中開裂 ， 并呈放射狀條紋迅速擴展至斷裂 。 軋制或鍛造的過熱組織晶粒粗大 ， 晶間結合力顯著降低 。 非金屬夾雜物熔融的晶間熔洞組織 ， 進一步降低材料強度 ， 增加材料脆性 ， 最終導致工件在極短的時間內 ， 由疲勞擴展至沿晶脆性斷裂 。

皮下氣泡形成的折疊裂紋也會產生疲勞擴展的裂紋源 ， 較深的裂紋造成很高的應力集中 ， 甚至可以使裂紋迅速擴展至斷裂 。 只是由于皮下氣泡折疊裂紋未處于拉應力最強的部位 ， 裂紋沒有繼續擴展的推動力 。 如果該裂紋位于拉應力中心 ， 失效斷裂的時間將會更短 。 #熒光光譜儀#汽車后橋穩定桿螺斷裂失效分析