400-850-4050

汽車高調滑板斷裂失效分析

2015-10-26  瀏覽量:853
美信檢測  失效分析實驗室
五十路
圖1為3只國產滑板強度測試後圖片,均斷裂,其中壹只國產滑板斷件仍留在托板上,未拆離。圖2為3只進口滑板,左邊的2只,已做強度測試,沒有斷裂;右邊的1只,未做測試。
客戶要求分析國產件失效原因,為改善產品質量提供依據。同時,提供5件新品國產件,供分析對比用。
 
失效分析失效分析
圖1. 失效的國產滑板圖2. 進口滑板
 
2  檢查分析 
2.1  外觀檢查
如圖3、圖4所示,檢查圖中1#、2#失效滑板,都出現以螺孔位置為拐點的宏觀面彎曲變形,失效滑板斷裂位置、斷裂路徑、斷口顏色大致相同。如圖5所示,檢查未拆卸的3#滑板,也具有大致相同的斷裂特征。因此,確定三只國產滑板斷裂原因相同。
如圖6所示,將1#失效件斷裂的兩部分拼合,發現螺栓不是垂直於滑板平面,而是沿滑板中心線傾斜。檢查其他強度試驗件,都有同樣現象。
如圖7所示,滑板斷口顏色為深灰色,無光澤,斷面不平。
如圖8所示,貼有“進口未破壞”黃色標簽的滑板是進口件,已做過測試;另外1件是新的國產件。如表1所示,測量比較發現,國產件D1、D2圓沿周向溝痕較深,並且圓的直徑大於進口件對應圓直徑d1、d2;D1(d1)到D2(d2)圓臺階高度H,國產件更大;D1-D2>d1-d2,即國產件圓間距也大於進口件,鋼板厚度則小於進口件。分析認為,同種材料條件下,圓周溝痕越深,直徑越大,D1(d1)到D2(d2)圓臺階越高,圓間距越寬,變形越大,應力也越大,沿圓周開裂的可能性越大。因此,國產件滑板在螺栓孔周邊變形應力大於進口件,國產件模具及壓力加工工藝有改善的空間。
 
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圖3. 失效滑板斷口俯視檢查圖4. 失效滑板斷口側面檢查
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圖5. 失效件檢查圖6. 拼合檢查
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圖7. 斷口檢查圖8. 進口件與國產件
 
表1: 螺栓沈孔測量數據(mm)
組別序號D1(d1)D2(d2)HT
進口件115.1813.280.865.06
215.1413.170.905.08
平均值15.1613.220.885.07
國產件115.8213.451.114.71
215.8913.441.104.71
平均值15.8613.441.104.71
備註(1)H是D1(d1)到D2(d2)臺階高度,T是滑板螺栓孔最近滑板邊緣厚度;
(2)因測試件變形,測量數據僅供對比用,不做產品具體尺寸依據。
 
2.2  顯微檢查
如圖9所示,斷口附近的螺紋根部凹陷變形,加工紋間距增寬,壁厚減薄。
圖10、圖11中標示出裂紋源所在的微觀和宏觀位置。如圖10所示,白色線條圈起的區域就是裂紋源區,存在較多微孔,是拉應力條件下微孔聚合斷裂特征。圖中,有兩處裂紋擴展方向,分別用箭頭A和B標示。裂紋擴展區A顏色深灰色,裂紋先擴展,擴展速度較慢;裂紋擴展區B顏色偏淺,擴展時間晚,擴展的速度快。箭頭B起始處出現與箭頭線垂直的臺階,正是兩次裂紋擴展相交線的結果。
如圖12是對裂紋源區檢查,發現裂紋源區顏色較深,存在較多微孔,屬於微孔聚合型斷裂。在裂紋源區同樣觀察到大量白點聚集,在白點聚集的區域,斷裂速度快。分析,白點聚集是氫脆的基本特征。因此,確認微孔聚合與氫脆並存是本次開裂的基本特征。
如圖13所示,裂紋沿螺紋根部附近周向擴展,裂紋擴展路徑鋸齒形,開裂面參差不平,具有沿晶走向特征。在圖14中,也能觀察到裂紋周向擴展的痕跡。黑色區域是延性斷裂特征,白色區域白點聚集,斷口平直,脆性增大。
 
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圖9. 螺紋根部變形檢查圖10. 斷口檢查
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圖11. 裂紋源區宏觀位置圖12. 裂紋源區微孔特征
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圖13. 螺紋根部附近裂紋沿圓周擴展處圖14. 裂紋擴展觀察
 
2.3  金相檢查
如圖15、圖16所示,隨機抽取1只新的國產滑板,對比檢查國產件與2#進口件螺栓喇叭孔過渡圓角發現,國產件圓角小,過渡不圓滑,進口件螺紋根部圓角大,圓角與邊緣線相切良好,沒有轉折。國產件的圓角過渡區結構應力大於進口件。
圖17、18是國產件與進口件螺牙對比檢查,國產件螺紋根部過渡不圓滑,螺牙頂部較窄,應力集中明顯;進口件螺紋根部過渡圓滑,螺牙頂部寬,應力集中明顯小於國產件。進口件螺牙截面有圓孔,有助受力緩沖。考慮到解剖的進口件是測試後的產品,目前也還未見此方面的理論及加工工藝介紹,所以在此不對螺牙截面中的圓孔做進壹步評論。
如圖19所示,為國產件次表層金相組織,圖20是國產件心部金相組織。次表層和心部組織相差不大,為保持M位相的回火S+回火T,以及少量的B+極少量F。
 
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圖15. 國產件根部圓角檢查(50X)圖16. 進口件根部圓角檢查(50X)
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圖17. 國產件螺紋檢查圖18. 進口件螺紋檢查
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圖19. 國產件邊緣組織(1000X)圖20. 國產件心部組織(1000X)
 
圖21為進口件螺紋根部附近邊緣組織,其中方形框內的顯微裂紋,起源於切割面,是制樣過程中形成的。圖22、圖23為螺紋根部附近心部金相組織。邊緣和心部均為:F+少量P+細小彌散析出的合金相。鐵素體基體中分布細小彌散的合金相,不但能提高基體的強度,而且有助於提高材料的延伸率。進口滑板的金相組織檢查結果表明,該材料為壹種具有高強度、高塑性的高強鋼。
 
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圖21. 進口件邊部組織(500X)圖22. 進口件心部組織(500X)
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圖23. 進口件心部組織(1000X) 
 
2.4  硬度試驗
將新品國產件和進口件2#,沿與滑板縱向垂直的直徑方向,剖開螺栓孔,對比檢查剖面硬度,測量結果如表2所示。國產件的硬度接近進口件的2倍,依據GB/T 1172換算成洛氏硬度為45.5HRC,高於圖紙(GTQ-YL190503)要求的38~42HRC。鋼的硬度越高,氫脆的危險性越大。
 
表2: 滑板硬度檢查結果(HV0.3)
檢測部位1234平均值
進口件心部248.8248.9235.5246.4244.9
螺栓喇叭孔附近253.1255.8240.5239.8247.3
國產件心部459.4436.5453.6443.8448.3
螺栓喇叭孔附近447.3447.5442.2441.9444.7
 
2.5  SEM分析
如圖24所示,裂紋源區域是微孔及韌性的發絲,微觀上具有準解離特征。
如圖25所示,在裂紋擴展區,是片狀裂紋結構,與氫脆作用相關。
如圖26所示,觀察到類似雞腳爪形狀的白色撕裂楞,進壹步證實國產滑板中確有氫脆存在。
 
失效分析失效分析
圖24. 裂紋源區圖25. 片狀裂紋結構
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圖26. 氫脆形貌特征 
 
2.6  化學成分分析  
采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學成分,分析國產滑板鋼材料成分結果見表3,與GB/T 3077對照,符合40CrA鋼元素含量範圍。
 
表3:國產滑板鋼材化學元素分析結果(Wt%)
元素CSiMnPSCrNiCu
高級優質鋼技術要求0.37~0.440.17~0.370.50~0.80≤0.025≤0.0250.80~1.10≤0.30≤0.25
實測結果0.43120.20330.61090.01270.01520.97260.02230.0306
 
3  理論分析
滑板螺栓孔經拉凸工序,拉伸變形較大,殘余拉應力較大。強度測試前,因裝配螺栓增加預緊力,內螺紋再次變形。強度測試時,如圖27所示,滑板連接螺栓受力F總可分解為Fx和Fy兩個分力,其中螺栓受力Fy,反過來對滑板螺栓孔產生大小Fy拉力,每個內螺牙分擔的力為Fy/n(n為內螺紋螺牙個數)。
設Fx到滑板厚度中間線的距離為H,則滑板受彎曲力矩M=Fx*H,滑板因此沿螺栓孔AB中心線面彎曲。
受力分析發現,滑板在AB螺孔中心線位置附近的螺牙受力最大,變形最大。
滑板喇叭孔內螺紋根部位置接近滑板厚度中心線,螺紋根部幾何突變,應力集中較大,殘余應力高,並且在內螺紋大徑位置,滑板截面厚度最薄,受拉應力變形時,容易出現頸縮。當拉伸變形大於材料延伸率時,出現開裂現象。這與顯微觀察到裂紋源處微孔聚合斷裂特征相吻合。
 
失效分析
圖27. 滑板受力分析示意圖
 
40Cr鋼拉伸變形能力有限。GB/T 3077給出該材料調質條件下,抗拉強度為980MPa時,對應的斷後伸長率為9%。對照GB/T 1172發現,抗拉強度為980MPa時,對應的硬度為31.5HRC。當40Cr鋼硬度達到45.5HRC時,材料斷後伸長率降低,低於調質狀態時的9%。
從檢查結果來看,國產滑板材料有氫脆現象。40Cr鋼在高硬度時,氫脆的危險性更高。電鍍時,H+向材料內部擴散。當裂紋經過H+集聚區域,材料的脆性大,即使是在較低的應力條件下,裂紋也能快速擴展。
從裂紋源區域的檢查分析結果來看,國產滑板開裂兼有微孔聚合與氫脆特征。
滑板強度測試時,圖27中的AB截面受力最大。又由於滑板內螺紋底徑處變形大,殘余應力大,再加螺紋根部幾何突變,應力集中,因此裂紋首先沿螺紋底徑周向擴展。當截面有效厚度減小到某個臨界值時,AB截面拉應力開始起主導作用,出現新的裂紋面,出現兩次裂紋擴展面交叉的情況,隨後滑板快速斷裂。
進口滑板材料是高強度的沖壓材料,斷後拉伸率高,相同的條件下強度測試時,不會斷裂。
 
4  結論
綜合以上各項,得出國產滑板斷裂的原因為:
1)國產滑板所用40Cr材料,原材料拉伸性能低,熱處理工藝不合理,硬度偏高,以及氫脆作用,降低拉伸性能,增大材料脆性;
2)國產滑板成型過程變形大,螺栓孔圓角過渡不圓滑,幾何形狀突變,應力集中程度高。
 
5  建議
1)建議滑板優先選用合適的高強度、高塑性的高強鋼材料。即使使用40CrA材料,最終熱處理硬度也不宜超過35HRC,推薦熱處理采用最終硬度為28~32HRC的調質熱處理工藝,並嚴格控氫;
2)對照進口滑板改善模具質量。
 
*****結束*****
 
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