汽车高调滑板断裂失效分析
2015-10-26 浏览量：2538
美信检测 失效分析实验室
1 引言
图1为3只国产滑板强度测试后图片，均断裂，其中一只国产滑板断件仍留在托板上，未拆离。图2为3只进口滑板，左边的2只，已做强度测试，没有断裂；右边的1只，未做测试。
客户要求分析国产件失效原因，为改善产品质量提供依据。同时，提供5件新品国产件，供分析对比用。
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| 图1. 失效的国产滑板 | 图2. 进口滑板 |
2 检查分析
2.1 外观检查
如图3、图4所示，检查图中1#、2#失效滑板，都出现以螺孔位置为拐点的宏观面弯曲变形，失效滑板断裂位置、断裂路径、断口颜色大致相同。如图5所示，检查未拆卸的3#滑板，也具有大致相同的断裂特征。因此，确定三只国产滑板断裂原因相同。
如图6所示，将1#失效件断裂的两部分拼合，发现螺栓不是垂直于滑板平面，而是沿滑板中心线倾斜。检查其他强度试验件，都有同样现象。
如图7所示，滑板断口颜色为深灰色，无光泽，断面不平。
如图8所示，贴有“进口未破坏”黄色标签的滑板是进口件，已做过测试；另外1件是新的国产件。如表1所示，测量比较发现，国产件D1、D2圆沿周向沟痕较深，并且圆的直径大于进口件对应圆直径d1、d2；D1(d1)到D2(d2)圆台阶高度H，国产件更大；D1-D2＞d1-d2，即国产件圆间距也大于进口件，钢板厚度则小于进口件。分析认为，同种材料条件下，圆周沟痕越深，直径越大，D1(d1)到D2(d2)圆台阶越高，圆间距越宽，变形越大，应力也越大，沿圆周开裂的可能性越大。因此，国产件滑板在螺栓孔周边变形应力大于进口件，国产件模具及压力加工工艺有改善的空间。
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| 图3. 失效滑板断口俯视检查 | 图4. 失效滑板断口侧面检查 |
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| 图5. 失效件检查 | 图6. 拼合检查 |
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| 图7. 断口检查 | 图8. 进口件与国产件 |
表1： 螺栓沉孔测量数据（mm）
| 组别 | 序号 | D1(d1) | D2(d2) | H | T |
|---|---|---|---|---|---|
| 进口件 | 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 | |
| 国产件 | 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 | |
| 备注 | （1）H是D1(d1)到D2(d2)台阶高度，T是滑板螺栓孔最近滑板边缘厚度； （2）因测试件变形，测量数据仅供对比用，不做产品具体尺寸依据。 |
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2.2 显微检查
如图9所示，断口附近的螺纹根部凹陷变形，加工纹间距增宽，壁厚减薄。
图10、图11中标示出裂纹源所在的微观和宏观位置。如图10所示，白色线条圈起的区域就是裂纹源区，存在较多微孔，是拉应力条件下微孔聚合断裂特征。图中，有两处裂纹扩展方向，分别用箭头A和B标示。裂纹扩展区A颜色深灰色，裂纹先扩展，扩展速度较慢；裂纹扩展区B颜色偏浅，扩展时间晚，扩展的速度快。箭头B起始处出现与箭头线垂直的台阶，正是两次裂纹扩展相交线的结果。
如图12是对裂纹源区检查，发现裂纹源区颜色较深，存在较多微孔，属于微孔聚合型断裂。在裂纹源区同样观察到大量白点聚集，在白点聚集的区域，断裂速度快。分析，白点聚集是氢脆的基本特征。因此，确认微孔聚合与氢脆并存是本次开裂的基本特征。
如图13所示，裂纹沿螺纹根部附近周向扩展，裂纹扩展路径锯齿形，开裂面参差不平，具有沿晶走向特征。在图14中，也能观察到裂纹周向扩展的痕迹。黑色区域是延性断裂特征，白色区域白点聚集，断口平直，脆性增大。
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| 图9. 螺纹根部变形检查 | 图10. 断口检查 |
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| 图11. 裂纹源区宏观位置 | 图12. 裂纹源区微孔特征 |
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| 图13. 螺纹根部附近裂纹沿圆周扩展处 | 图14. 裂纹扩展观察 |
2.3 金相检查
如图15、图16所示，随机抽取1只新的国产滑板，对比检查国产件与2#进口件螺栓喇叭孔过渡圆角发现，国产件圆角小，过渡不圆滑，进口件螺纹根部圆角大，圆角与边缘线相切良好，没有转折。国产件的圆角过渡区结构应力大于进口件。
图17、18是国产件与进口件螺牙对比检查，国产件螺纹根部过渡不圆滑，螺牙顶部较窄，应力集中明显；进口件螺纹根部过渡圆滑，螺牙顶部宽，应力集中明显小于国产件。进口件螺牙截面有圆孔，有助受力缓冲。考虑到解剖的进口件是测试后的产品，目前也还未见此方面的理论及加工工艺介绍，所以在此不对螺牙截面中的圆孔做进一步评论。
如图19所示，为国产件次表层金相组织，图20是国产件心部金相组织。次表层和心部组织相差不大，为保持M位相的回火S+回火T，以及少量的B+极少量F。
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| 图15. 国产件根部圆角检查（50X） | 图16. 进口件根部圆角检查（50X） |
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| 图17. 国产件螺纹检查 | 图18. 进口件螺纹检查 |
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| 图19. 国产件边缘组织（1000X） | 图20. 国产件心部组织（1000X） |
图21为进口件螺纹根部附近边缘组织，其中方形框内的显微裂纹，起源于切割面，是制样过程中形成的。图22、图23为螺纹根部附近心部金相组织。边缘和心部均为：F+少量P+细小弥散析出的合金相。铁素体基体中分布细小弥散的合金相，不但能提高基体的强度，而且有助于提高材料的延伸率。进口滑板的金相组织检查结果表明，该材料为一种具有高强度、高塑性的高强钢。
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| 图21. 进口件边部组织（500X） | 图22. 进口件心部组织（500X） |
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| 图23. 进口件心部组织（1000X） |
2.4 硬度试验
将新品国产件和进口件2#，沿与滑板纵向垂直的直径方向，剖开螺栓孔，对比检查剖面硬度，测量结果如表2所示。国产件的硬度接近进口件的2倍，依据GB/T 1172换算成洛氏硬度为45.5HRC，高于图纸（GTQ-YL190503）要求的38～42HRC。钢的硬度越高，氢脆的危险性越大。
表2： 滑板硬度检查结果（HV0.3）
| 检测部位 | 1 | 2 | 3 | 4 | 平均值 | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 进口件 | 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 | |
| 国产件 | 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
如图24所示，裂纹源区域是微孔及韧性的发丝，微观上具有准解离特征。
如图25所示，在裂纹扩展区，是片状裂纹结构，与氢脆作用相关。
如图26所示，观察到类似鸡脚爪形状的白色撕裂楞，进一步证实国产滑板中确有氢脆存在。
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| 图24. 裂纹源区 | 图25. 片状裂纹结构 |
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| 图26. 氢脆形貌特征 |
2.6 化学成分分析
采用硫碳分析仪+ICP检查材料化学成分，分析国产滑板钢材料成分结果见表3，与GB/T 3077对照，符合40CrA钢元素含量范围。
表3：国产滑板钢材化学元素分析结果(Wt%)
| 元素 | C | Si | Mn | P | S | Cr | Ni | Cu |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 高级优质钢技术要求 | 0.37～0.44 | 0.17～0.37 | 0.50～0.80 | ≤0.025 | ≤0.025 | 0.80～1.10 | ≤0.30 | ≤0.25 |
| 实测结果 | 0.4312 | 0.2033 | 0.6109 | 0.0127 | 0.0152 | 0.9726 | 0.0223 | 0.0306 |
3 理论分析
滑板螺栓孔经拉凸工序，拉伸变形较大，残余拉应力较大。强度测试前，因装配螺栓增加预紧力，内螺纹再次变形。强度测试时，如图27所示，滑板连接螺栓受力F总可分解为Fx和Fy两个分力，其中螺栓受力Fy，反过来对滑板螺栓孔产生大小Fy拉力，每个内螺牙分担的力为Fy/n（n为内螺纹螺牙个数）。
设Fx到滑板厚度中间线的距离为H，则滑板受弯曲力矩M=Fx*H，滑板因此沿螺栓孔AB中心线面弯曲。
受力分析发现，滑板在AB螺孔中心线位置附近的螺牙受力最大，变形最大。
滑板喇叭孔内螺纹根部位置接近滑板厚度中心线，螺纹根部几何突变，应力集中较大，残余应力高，并且在内螺纹大径位置，滑板截面厚度最薄，受拉应力变形时，容易出现颈缩。当拉伸变形大于材料延伸率时，出现开裂现象。这与显微观察到裂纹源处微孔聚合断裂特征相吻合。
图27. 滑板受力分析示意图
40Cr钢拉伸变形能力有限。GB/T 3077给出该材料调质条件下，抗拉强度为980MPa时，对应的断后伸长率为9%。对照GB/T 1172发现，抗拉强度为980MPa时，对应的硬度为31.5HRC。当40Cr钢硬度达到45.5HRC时，材料断后伸长率降低，低于调质状态时的9%。
从检查结果来看，国产滑板材料有氢脆现象。40Cr钢在高硬度时，氢脆的危险性更高。电镀时，H+向材料内部扩散。当裂纹经过H+集聚区域，材料的脆性大，即使是在较低的应力条件下，裂纹也能快速扩展。
从裂纹源区域的检查分析结果来看，国产滑板开裂兼有微孔聚合与氢脆特征。
滑板强度测试时，图27中的AB截面受力最大。又由于滑板内螺纹底径处变形大，残余应力大，再加螺纹根部几何突变，应力集中，因此裂纹首先沿螺纹底径周向扩展。当截面有效厚度减小到某个临界值时，AB截面拉应力开始起主导作用，出现新的裂纹面，出现两次裂纹扩展面交叉的情况，随后滑板快速断裂。
进口滑板材料是高强度的冲压材料，断后拉伸率高，相同的条件下强度测试时，不会断裂。
4 结论
综合以上各项，得出国产滑板断裂的原因为：
1）国产滑板所用40Cr材料，原材料拉伸性能低，热处理工艺不合理，硬度偏高，以及氢脆作用，降低拉伸性能，增大材料脆性；
2）国产滑板成型过程变形大，螺栓孔圆角过渡不圆滑，几何形状突变，应力集中程度高。
5 建议
1）建议滑板优先选用合适的高强度、高塑性的高强钢材料。即使使用40CrA材料，最终热处理硬度也不宜超过35HRC，推荐热处理采用最终硬度为28～32HRC的调质热处理工艺，并严格控氢；
2）对照进口滑板改善模具质量。
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