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汽车高调滑板断裂原因分析

2023-03-15  浏览量:212

 

摘要

 

本文通过外观观察、显微检查、金相检查、硬度检查、SEM分析、化学成分分析方法,从材料、设计、制造工艺等方面入手,找出某滑板断裂的原因,为改善产品质量提供技术支持。

 

1 引言

 

图1为3只某滑板强度测试后图片,均断裂,其中一只滑板断件仍留在托板上,未拆离。

 

 

2 检查分析

 

2.1 外观检查

如图2、图3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4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,初步确定三只滑板断裂原因相同。

 

 

2 检查分析

 

如图5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6所示,滑板断口颜色为深灰色,无光泽,断面不平。

 

 

2.2 显微检查

如图7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8、图9中标示出裂纹源所在的微观和宏观位置。如图9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10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11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12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。

 

 

2.3 金相检查

如图13所示,为滑板次表层金相组织,图14是滑板心部金相组织。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。

 

 

2.4 硬度试验

沿与滑板纵向垂直的直径方向,剖开螺栓孔,检查剖面硬度,测量结果如表2所示。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。

 

 

2.5 SEM分析

如图15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16所示,在裂纹扩展区,是片状裂纹结构,与氢脆作用相关。

如图17所示,观察到类似鸡脚爪形状的白色撕裂棱,进一步证实滑板中确有氢脆存在。

 

 

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。

 

 

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18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。

 

 

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,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,滑板开裂兼有微孔聚合与氢脆特征。

滑板强度测试时,图18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。

 

4 结论

 

综合以上各项,得出某滑板断裂的原因为:

1)某滑板所用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)某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

 

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。

 

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