汽車下擺臂與車架連接螺栓斷裂分析

蘇 倩 ， 胡春燕

（1.無損檢測技術(shù)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（南昌航空大學(xué)），南昌 330063；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095）

0 引言

近年來，隨著我國經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，汽車成為人們?nèi)粘３鲂胁豢扇鄙俚慕煌üぞ?，中國汽車保有量持續(xù)增加。但隨之而來的各類事故的頻發(fā)，汽車的安全性能也逐漸成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。汽車零部件失效模式主要分為磨損、變形、斷裂、老化、腐蝕等[1]，各種失效模式的研究和案例也時(shí)有報(bào)道[2-6]。

螺栓類零部件是汽車緊固件中重要的零部件，在使用中往往會(huì)因?yàn)閿嗔讯率蛊嚢l(fā)生故障。在關(guān)于汽車的失效分析案例中，螺栓斷裂占有較大的比例，危害也較為嚴(yán)重，可能會(huì)引起較大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至人員傷亡。楊琦等[7]針對汽車側(cè)翻事故，分析了連接發(fā)動(dòng)機(jī)和車身的斷裂35CrMo 鋼汽車螺栓；周宏偉等[8]針對汽車行駛過程中的后輪突然飛出，研究分析了發(fā)生斷裂的輪胎螺栓；王吉洋等[9]針對車輪邊減速器螺栓裝配后在整車下線運(yùn)輸和庫存中發(fā)生多起斷裂事故進(jìn)行了分析。因此，對汽車用斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，研究其產(chǎn)生故障的特征、規(guī)律及原因，可為汽車的生產(chǎn)、使用或維修中采取有針對性的改進(jìn)和預(yù)防措施提供理論依據(jù)，防止同類故障再次發(fā)生，提高汽車行駛的安全性[10]。

汽車下擺臂與車架連接螺栓在汽車路試時(shí)行駛了約28 km 后發(fā)生斷裂。螺栓材料為40Cr 鋼，螺栓經(jīng)調(diào)質(zhì)處理、表面鍍鋅，硬度要求為HRC 32～39。斷口分析是分析零部件斷裂的主要方法，因?yàn)閿嗫诳偸钱a(chǎn)生在金屬組織最薄弱的地方，它如實(shí)地記錄了裂紋產(chǎn)生、擴(kuò)展以及最終開裂的全過程，由此可以進(jìn)一步分析裂紋擴(kuò)展途徑和各種影響因素，進(jìn)而找到避免斷裂發(fā)生的方法[11]。因此，本研究對斷裂螺栓進(jìn)行斷口宏微觀觀察、能譜分析，對斷口附近材料硬度和金相進(jìn)行檢查，分析螺栓斷裂的性質(zhì)和導(dǎo)致斷裂的原因，找到避免此類故障的措施。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

汽車下擺臂與車架的連接螺栓結(jié)構(gòu)如圖1 所示，螺栓相對擺臂固定不動(dòng)。圖2 為斷裂后的螺栓形貌，螺栓斷裂位置距右側(cè)大墊片約3 個(gè)螺牙，在螺栓一側(cè)可見螺紋和螺桿均有明顯的磨損痕跡，且兩端磨損較嚴(yán)重（圖2c）。螺栓斷口的宏觀形貌如圖3 所示，可見：整個(gè)斷口呈棕紅色，為長時(shí)間放置后發(fā)生了嚴(yán)重的腐蝕氧化；斷口存在2 個(gè)疲勞源區(qū)，且均為線源，源區(qū)間放射棱線多且臺(tái)階的高度差較大；斷口中間為瞬斷區(qū)，面積約占整個(gè)斷面的2/3。

圖 1 擺臂與車架處連接螺栓的結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Structural drawing of connecting bolt between swing arm and frame

1.2 微觀觀察

通過掃描電子顯微鏡對螺栓斷口的微觀形貌進(jìn)行觀察。圖4 為螺栓斷口2 個(gè)源區(qū)的低倍形貌，可見2 個(gè)源區(qū)均呈線源，源區(qū)1 可見較多的放射棱線，源區(qū)2 可見明顯的疲勞臺(tái)階。斷口的高倍形貌如圖5 所示，可見整個(gè)斷面覆蓋著一層厚厚的腐蝕氧化層，無法觀察到斷口的特征。經(jīng)磷酸清洗后，螺栓斷口的高倍形貌見圖6，可見細(xì)小的韌窩特征。

圖 2 斷裂螺栓的外觀形貌Fig.2 Appearance of fracture bolt

圖 3 螺栓斷口宏觀形貌Fig.3 Appearance of bolt fracture

圖 4 斷口源區(qū)低倍形貌Fig.4 Morphology of fracture source regionof low-power

圖 5 斷口高倍形貌Fig.5 Fracture morphology of high-power

1.3 能譜分析

對螺栓斷口進(jìn)行能譜分析，結(jié)果為25.74%O、

18.55 %C、51.77%Fe、0.34%S、0.39%Cl、2.70%Zn、0.51%K（質(zhì)量分?jǐn)?shù)），由此可知，斷口處主要為含F(xiàn)e 的腐蝕氧化產(chǎn)物。

1.4 硬度測試

圖 6 斷口的細(xì)小韌窩形貌Fig.6 Fine dimple morphology of fracture

在平行于螺栓斷口方向上截取試樣，打磨拋光后進(jìn)行維氏硬度測試，結(jié)果見表1。換算為洛氏硬度，可知其硬度平均值為HRC 36.52，符合技術(shù)要求的HRC 32～39。

表 1 螺栓斷口附近硬度測試結(jié)果Table 1 Hardness test results near bolt fracture

1.5 金相檢查

在平行于斷口方向截取金相試樣，打磨拋光經(jīng)腐蝕劑腐蝕后進(jìn)行觀察，金相組織如圖7 所示?？芍菟ǖ娘@微組織為回火索氏體，符合材料的組織要求，未見明顯異常。

圖 7 螺栓的顯微組織形貌Fig.7 Microstructure of bolt

2 分析與討論

根據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果可知，螺栓的硬度值符合技術(shù)要求，金相組織未見異常。斷口宏微觀觀察結(jié)果表明，斷口存在2 個(gè)疲勞源區(qū)，且均為線源，源區(qū)間放射棱線多且臺(tái)階的高度差較大，瞬斷區(qū)的面積較大，斷口上為細(xì)小的韌窩特征，可知該螺栓屬多源疲勞斷裂。疲勞斷裂的產(chǎn)生是在交變應(yīng)力作用下經(jīng)過較長時(shí)間工作而發(fā)生的，一般疲勞斷裂的應(yīng)力遠(yuǎn)比靜載下的σb低，也可能比σ0.2低很多，斷裂前并無明顯的塑性變形，是一種低應(yīng)力脆斷破壞現(xiàn)象，也是損傷累積過程的結(jié)果。疲勞抗力不僅取決于材料本身的特性，也與其形狀、尺寸、表面質(zhì)量、工作條件和環(huán)境等密切相關(guān)[12-13]。

該汽車是在路試不超過30 km 時(shí)發(fā)生的斷裂，疲勞斷裂的周次較低，斷口上沒有觀察到疲勞條帶特征，螺栓的斷裂性質(zhì)為低周疲勞斷裂。低周疲勞斷裂微觀斷口的變化是由于宏觀塑性變形較大，靜載斷裂機(jī)理會(huì)出現(xiàn)在疲勞斷裂中，在斷口上出現(xiàn)各種靜載斷裂所產(chǎn)生的斷口形態(tài)。該螺栓斷口瞬斷區(qū)為細(xì)小韌窩形貌，且面積較大。在一般情況下，當(dāng)合金鋼等材料的疲勞壽命Nf＜90 次時(shí)，斷口上為細(xì)小的韌窩，沒有疲勞條帶出現(xiàn)[14]。

據(jù)了解，當(dāng)汽車在較好的路況行駛時(shí)，搖臂一般不動(dòng)，螺栓只受到縱向預(yù)緊力的作用，而當(dāng)在較差的路況行駛時(shí)，搖臂將帶動(dòng)螺栓上下振動(dòng)，此時(shí)如果出現(xiàn)螺栓局部配合松動(dòng)，將產(chǎn)生不均勻的接觸，螺栓將受到較大的彎曲、沖擊等綜合應(yīng)力。據(jù)悉，該發(fā)生故障的汽車在路試時(shí)，會(huì)模擬各種條件較差且復(fù)雜的路況。另外，從螺栓一側(cè)螺紋和螺桿的磨損痕跡可以推斷螺栓受到了一定程度的碰撞，結(jié)合螺栓斷口形貌觀察結(jié)果，可知該螺栓斷裂是由預(yù)緊力不足導(dǎo)致的，當(dāng)汽車在復(fù)雜路況行駛時(shí)，由于顛簸使得螺栓產(chǎn)生松動(dòng)[15]，進(jìn)而受到雙向彎曲交變應(yīng)力和較大沖擊載荷，最終快速發(fā)生了低周疲勞斷裂。

建議在進(jìn)行螺栓裝配時(shí)嚴(yán)格控制裝配工藝，避免預(yù)緊力不足而產(chǎn)生螺栓松動(dòng)。適當(dāng)?shù)念A(yù)緊可提高螺栓聯(lián)接的可靠性和緊密性，同時(shí)提高螺栓的疲勞強(qiáng)度。

3 結(jié)論

1）螺栓的斷裂性質(zhì)為低周疲勞斷裂。

2）螺栓在裝配時(shí)由于預(yù)緊力不足且行駛路況較差，受到彎曲交變應(yīng)力和較大沖擊載荷，最終導(dǎo)致斷裂。

3）進(jìn)行螺栓裝配時(shí)應(yīng)避免預(yù)緊力不足而產(chǎn)生螺栓松動(dòng)。