汽车用螺栓断裂分析

记录号：JS-AL-紧固件-019

汽车用螺栓断裂分析

摘要：某面包车底盘下摆臂的一个紧固螺栓发生断裂。生产厂要求分析螺栓早期断裂的原因。扫描电镜和金相分析结果表明，送检螺栓产生了沿晶脆断，是导致螺栓早期断裂的原因。 关键词：螺栓；金相检验；沿晶断裂

材料种类/牌号：结构钢/40Cr

概述

某海狮面包车行驶约400公里时，其底盘下摆臂的一个紧固螺栓发生断裂。螺栓生产厂将事故发生原件送中国科学院金属研究所失效分析中心，要求分析螺栓早期断裂原因。 螺栓是由一高强度标准件厂生产的，其规格为MI2X1.25X44，材料为4OCr 结构钢，螺栓经调质处理，硬度值要求为HRC34-39。 测试过程与结果 宏观检查 图1是送检实物的局部宏观像，黑箭头指螺栓断口。在下摆臂的两个螺孔的外侧表面，各有部分黑色油漆被擦掉(白箭头指示)，但二者被擦部位不同。对断裂螺栓的螺孔，被擦部位在图1中螺孔的上方;对末断螺栓的螺孔，被擦部位在图1中螺孔的下方。油漆被擦说明下摆臂与通过螺栓被其紧固的拉杆座之间在两个螺孔附近出现局部相对滑动，这种相对滑动应发生在螺栓断裂之后。 图2是螺栓断口的宏观像，螺栓断裂于螺纹根部(黑箭头所示)。整个断口可分为2部分:一部分断口与螺栓纵向基本垂直，呈黑灰色，稍显粗糙，用数字1标出;另一部分断口与螺栓纵向斜交，呈银灰色，较为光滑，用数字2标出。断口两部分形貌的明显差异说明螺栓断裂经历了两个不同的过程。需要说明的是，与数字2所示的断口部分相邻的螺孔也出现了部分断裂(白箭头所示)，其形貌与数字2标识的断口相近。 图1、送检实物局部宏观像 图2、螺栓断口的宏观像 用线切割万法开槽，加力将下摆臂断裂螺栓的螺孔分开，如图3所示。螺孔内的黑色润滑油脂和黄绿色锁固剂分布均匀，螺栓上的润滑油脂和锁固剂分布也基本均匀，这说明螺孔与螺栓的齿面间润滑良好，未见局部磨损现象。 综上所述，宏观检查说明螺栓断裂应包括两个不同的断裂过碍。螺孔与螺栓之间齿面润滑良好，未见磨损。 中国应急分析网

图3、断裂螺栓螺孔纵向打开后的宏观像 图4、图2中部分1断口的二次电子像 断口的扫描电镜观察 将断裂螺栓从螺孔中完整取出，经丙酮清洗后放入扫描电镜中观察。图4是图2中部分1断口的二次电子像，箭头指螺栓齿根，基本上为冰糖块状断口。图5和图6是图4的局部放大像，大部分为脆性沿晶断口，有的晶界面上有鸡爪形纹理 (箭头所示)。图7是图2中离部分2断口较近 (距螺栓齿根较远)的部分1断口的放大像，为等轴韧窝断口。以上结果说明图2中部分1断口有两种微观形貌:距齿根较近处为沿晶断口，而且在沿晶断口上有时可见到鸡爪形纹理;据齿根较远处为韧窝断口。上述这些断口特征说明该部分断口可能是氢脆断口。用X 射线能谱仪分析了图2中部分1断口的成分，结果如图8所示，说明有硫、氯元素富集。看来，这部分断口宏观呈黑灰色应与硫、氯元素引起的腐蚀有关。 图5、图4的局部放大象之一 图6、图4的局部放大象之二 图7、韧窝断口（二次电子像） 图8、图2中部分1断口的能谱分析曲线

中

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图9是图2中部分2断口的放大像，为拉长的韧窝断口，为剪切断裂所致，属于瞬时断裂断口。

图9 图2中部分2断口的二次电子像

断口观察说明螺栓断裂包括脆性沿晶断裂和瞬时断裂两个过程，前者可能属于氢脆断裂，而且该部分断口受到腐蚀，腐蚀介质与硫、氯有关。后者属于瞬时断裂，系沿晶脆性裂纹扩展到一定程度之后，螺栓的剩余有效面积不足以承受实际工作载荷而被拉断。沿晶脆性断裂的原因是否与腐蚀有关，有待结合螺栓的生产工艺、安装和使用工况作进一步分析。 化学成分的复核

据介绍，螺栓材料应为4oCr 结构钢，决定其性能的主要元素应为碳和铬。鉴于送检螺栓尺寸较小，故仅对该螺栓中的碳元素和铬元素进行了复核，其中碳含量用红外硫碳仪测定，铬含量用X 射线能谱分析仪测定。测量结果列于表1，表1中同时还给出了国家标准GB3077对4OCr 结构钢中碳、铬元素含量的要求。

表1断裂螺栓的碳、铬含量测量结果

C(wt％) Cr(wt％) 断裂螺栓

0.42 1.00 GB3077要求 0.37一0.44 0.80－1.10 表

1说明断裂螺栓的主要元素的含量符合有关标准的要求。 金相检验 图10是断裂螺栓的金相组织，基本为索氏体，属于正常组织。 400X 图10、断裂螺栓的金相组织（为索氏体和少量的残余奥氏体） 硬度测量 测量了断裂螺栓的洛氏硬度，结果列于表2。 中

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表2断裂螺栓的硬度测量结果

HRC 值 断裂螺栓

37.8，38.4，38.2 要求值

34－39

表2说明断裂螺栓的硬度均匀，符合技术条件要求。

结论

1.送检螺栓发生了沿晶脆断，是导致螺栓早期断裂的原因。引起螺栓沿晶脆 断的原因有待进一步分析。

2.断裂螺栓的材质符合技术条件要求。

主要分析人员及单位 田继丰 中国科学院金属研究所 失效分析中心 姚戈 中国科学院金属研究所 失效分析中心 苏会和 中国科学院金属研究所 失效分析中心 资料整理人：臧启山、姚 戈 中国科学院金属研究所失效分析中心 审核人： 臧启山 中国科学院金属研究所失效分析中心 中

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