汽车高调滑板断裂原因分析

汽车高调滑板断裂原因分析

【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，找出某滑板断裂原因的原因，为改善产品质量提供技术支持。

01

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。

图1. 失效滑板

02

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。

图2. 失效滑板断口俯视检查

图3. 失效滑板断口侧面检查

图4.3#失效件

检查

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。

图5. 拼合检查

图6. 断口检查

表1：螺栓沉孔测量数据 （mm）

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。

图7. 螺纹根部变形

检查

图8.断口

检查

图9. 裂纹源区宏观

位置

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。

图10. 裂纹源区微孔特征

图11. 螺纹根部附近裂纹沿圆周扩展处

图12.裂纹扩展

观察

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。

图13. 滑板边缘组织 （1000X）

图14. 滑板心部组织 （1000X）

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。

表2：滑板硬度检查结果 （HV0.3）

2.4 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。

图15.裂纹源区

图16.片状裂纹结构

图17. 氢脆形貌特征

2.5 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。

表3：滑板钢材化学元素分析结果 (Wt%)

03

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。

图18. 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，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。

04

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。

05

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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