35CrMo汽车上臂螺栓断裂原因分析

某汽车公司的汽车上臂螺栓在服役中发生早期断裂，行驶里程约1500公里。供货方要求对螺栓断裂原因进行分析。

      螺栓材料为35CrMo，规格为M12×1.25×65-10.9，表面镀黄锌。 送检样品2件，均为断裂螺栓尾部的一段，其中一件长度约30mm（以下称为1号）；另一件尾部被车切去一段，剩余长度约20mm（以下称为2号）。

一、检验结果

1. 外观

      断裂螺栓未见塑性变形，但牙顶明显可见压塌、磕伤痕迹。螺栓中部一段（距断口约7扣处）明显发黑，很明显该段为拧入螺母中的区域。

2. 断口

      对断口进行体视显微镜和扫描电镜观察，两个螺栓的断口形貌基本相同（图1），明显可见疲劳海滩状弧线。

      以1号断口为例，断口明显分为3个区。Ⅰ区为疲劳源区，位于牙底表面，在该区存在多个剪切台阶，系牙底应力集中而引发的多个疲劳源区相交界面撕裂而成；Ⅱ区为疲劳裂纹扩展区；Ⅲ区为裂纹快速扩展区及瞬断区（剪切唇）。在疲劳源区可见牙底存在的裂纹（图2），在Ⅱ区的高倍放大形貌中可见疲劳辉纹（图3），快速扩展的微观形貌为细小韧窝及撕裂棱（图4）。

3. 螺栓表面观察

      去除螺栓表面的镀锌层后在扫描电镜下观察，可见绝大部分牙底均存在周向裂纹，两个螺栓均如此（图5中箭头所指）。

4. 硬度

      1号螺栓为33.0HRC（三点平均） 2号螺栓为35.0HRC（三点平均）

5. 金相

      将断裂螺栓沿中心线轴向剖开，利用显微硬度法检测脱碳层（G值和E值）。 1号螺栓：G＝0，E＝0.35mm 2号螺栓：G＝0，E＝0.41mm 图6为螺栓表面脱碳层的金相组织。

       在剖面上可观察到，几乎所有的牙底存在明显的裂纹，两个螺栓的情况基本相同（图6），这与螺栓表面扫描电镜（图5）所看到的情况吻合。裂纹的高倍放大形貌表明，该裂纹实际上是一种加工折叠，折叠方向为同一朝向，在折叠的缺口尖端诱生出细小的径向裂纹。

螺栓材料的非金属夹杂物主要为球状不变形夹杂物，评定为1级（GB 10561-1989）（图8）

      螺栓基体组织为均匀的保持马氏体位向的回火索氏体组织（图9），但在牙底折叠裂纹处由于脱碳而存在较多的铁素体，该处的硬度为287HV0.3。

      另外，在1号螺栓的纵向金相磨面上，清晰可见一条浅色的贯穿螺栓全长的管状偏析条带（图10），在该区存在较多的线点状夹杂。而2号螺栓却不存在上述现象。

二、分析

      检验结果表明，两个螺栓的基体组织为正常的回火索氏体。基体硬度符合标准GB/T3098.1-2000中对10.9级螺栓所规定的32～39HRC的范围。

      两个螺栓的E值（1号为0.35mm，2号为0.41mm）均不符合上述标准所规定的最小值（0.0511mm），说明螺栓表面的半脱碳深度已经超标。

      两个螺栓的断口存在明显的海滩状疲劳弧线和疲劳辉纹，表明螺栓的断裂为疲劳破断。最后断裂区位于螺栓表面一侧，由此可判断。螺栓在使用过程中承受的是单向弯曲疲劳应力。从断口中疲劳区和快速扩展区的相对大小来看，说明螺栓承受的是中等强度的外加载荷。

      断裂的两个螺栓牙底存在折叠缺口（图7），折叠形成的尖锐缺口因应力集中可能会削弱螺栓的疲劳强度，因而极易在缺口尖端诱发疲劳裂纹的萌生，牙底折叠缺口在离断口的第二个牙底就已经存在，该处并未拧入螺母中，说明折叠并非是由于螺栓强迫拧入螺母而形成的（假定螺栓拧入螺母的部位可能产生此类折叠的话）。当然，在螺栓与螺母的装配过程中，倘若由于某些原因出现强迫装配的情况，在螺栓中将会形成过大的附加拉应力，无疑也会降低螺栓的寿命。

      在1号螺栓心部产生的管状偏析带，是由于原材料生产中出现的问题，尽管不是造成螺栓断裂最直接的原因，但对螺栓的寿命有不利影响，在金相观察中，发现位于偏析区的断口区比正常区域存在多而深的二次裂纹证明了这一点。

三、结论

1. 两个螺栓的断裂属于单向弯曲疲劳断裂。 
2. 裂纹由螺栓牙底部的折叠尖锐缺口处开始扩展。

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