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摘要：一批輪轂螺栓在強(qiáng)度測(cè)試過程中， 多個(gè)螺栓發(fā)生斷裂， 為查出斷裂原因， 通過宏觀微觀斷口形貌 檢驗(yàn)、 氫含量及化學(xué)成分檢測(cè)、 金相顯微組織觀察、 硬度檢測(cè)等方法， 得出螺栓發(fā)生斷裂的原因： 螺紋在淬 火前形成的加工應(yīng)力和淬火后形成的淬火應(yīng)力疊加， 造成應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂。 為了消除內(nèi)應(yīng)力疊加所帶來 的不良影響， 通過在螺栓壓力加工之前先進(jìn)行球化退火， 并將滾絲的工序位置調(diào)整到調(diào)質(zhì)工藝之后。 經(jīng)過工 藝改良和工序調(diào)整， 螺栓的內(nèi)應(yīng)力得到一定程度上的削減， 沒有再次發(fā)生嚴(yán)重的失效行為。 

輪轂螺栓是車輛連接車輪的高強(qiáng)度螺栓， 它 是安裝在車軸部位的零件， 可以起到以下作用： 支撐輪胎、 緩沖外界沖擊、 把車身重量傳遞到路 面， 承受著轉(zhuǎn)彎時(shí)的橫向載荷、 驅(qū)動(dòng)力和制動(dòng)力 扭矩等， 保證車輛的安全行駛［１］。 輪轂螺栓的重 要作用是不言而喻的， 所以在制造過程中都要嚴(yán) 格把控每一道工藝， 制造完成后還要進(jìn)行一系列 的檢測(cè)， 保證安裝使用后不發(fā)生危險(xiǎn)失效行為。 某汽車輪轂螺栓制造廠制造一批規(guī)格為Ｍ１４×１.５ 的１０.９ 級(jí)高強(qiáng)度輪轂螺栓， 采用的材質(zhì)為 ３５ＣｒＭｏ 中碳合金鋼， 其工藝流程為： 下料→冷拔 →冷鐓→滾絲、 搓絲→熱處理 （調(diào)質(zhì)） →電鍍→ 檢測(cè)→包裝， 在檢測(cè)環(huán)節(jié)中發(fā)現(xiàn)多個(gè)螺栓沒有通 過強(qiáng)度測(cè)試而發(fā)生斷裂。      

為分析螺栓斷裂原因， 實(shí)驗(yàn)室取３個(gè)樣品， 分別編為１＃、 ２＃、 ３＃， 并通過一系列檢測(cè)方法對(duì) ３ 個(gè)螺栓進(jìn)行分析， 以確定其斷裂的原因， 并制 定相應(yīng)的改進(jìn)措施以避免不合格制品的產(chǎn)生。

１　試驗(yàn)過程及分析 

１. １　斷口形貌觀察及分析 

１. １. １　宏觀形貌觀察及分析    從圖１可以看出： ３個(gè)螺栓裂紋源 （紅色圓圈處） 都處于表層位置且色澤較深， 裂紋向另外 一側(cè)擴(kuò)展 （紅色箭頭方向）， 擴(kuò)展區(qū)域和瞬斷區(qū) 域色澤較淺， 裂紋擴(kuò)展區(qū)比較平整， 裂紋源表面 較為粗糙且顏色較深； ３個(gè)螺栓沒有發(fā)生塑性變 形， 斷裂前的測(cè)試也無施加循環(huán)應(yīng)力， 斷口沒有 發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂的形貌， 可以看出它們可能是脆性 斷裂， 而非疲勞斷裂。 另外， １＃、 ２＃ 螺栓斷裂的 位置都在螺紋中段位置， ３＃ 螺栓在法蘭根部和螺 紋交界處。 由此猜測(cè)螺栓發(fā)生斷裂的原因應(yīng)該不 是強(qiáng)度不足， 為證實(shí)這一猜測(cè)， 并找出斷裂原因， 我們對(duì)３個(gè)斷裂螺栓的微觀形貌進(jìn)一步觀察。

１. １. ２　微觀形貌觀察及分析    

疲勞指的是金屬零部件收到應(yīng)力大小在屈服 強(qiáng)度以下的循環(huán)應(yīng)力作用， 導(dǎo)致金屬內(nèi)部產(chǎn)生微 裂紋且微裂紋不斷擴(kuò)展直至斷裂的現(xiàn)象， 這種疲勞斷裂是無法用肉眼觀察出來的， 且斷裂前毫無 征兆， 是包含螺栓在內(nèi)很多金屬部件的主要失效 形式之一， 這種失效形式危險(xiǎn)性也比較高， 所以 是金屬部件發(fā)生斷裂時(shí)首要檢查的失效形式。 上 文說到３個(gè)螺栓的斷裂可能不是疲勞造成的， 為 證實(shí)這一猜測(cè)， 并找出斷裂原因， 對(duì)這３個(gè)螺栓 進(jìn)行微觀形貌的觀察。    

將斷裂的螺栓清潔后進(jìn)行掃描電鏡 （型號(hào) ＧｅｍｉｎｉＳＥＭ ３００） 對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行仔細(xì)的觀 察， 如圖２可見３個(gè)螺栓裂紋源處都發(fā)現(xiàn)了較為 密集呈結(jié)晶狀的沿晶裂紋及二次裂紋； ３個(gè)螺栓 裂紋擴(kuò)展區(qū)比瞬斷區(qū)面積來得大， 瞬斷區(qū)主要表 現(xiàn)為韌窩斷裂特征。 因此， 從微觀斷口形貌可以 證實(shí)前文的猜測(cè)， 裂紋不太可能是疲勞造成的。    

另外， 由于沒有氫脆裂紋特征， 可猜測(cè)這種 脆性斷裂不是氫脆引起的， 為了證實(shí)這一點(diǎn)， 對(duì) 氫含量進(jìn)行檢測(cè)。

１. ２　氫含量及化學(xué)成分檢測(cè)及分析    

由于在酸洗及鍍鋅過程中形成的游離氫原子 會(huì)通過螺栓表面疏松組織、 微裂紋、 氣孔等滲入， 并通過金屬內(nèi)部的位錯(cuò)氫會(huì)從高濃度區(qū)向低濃度 區(qū)擴(kuò)散， 從低應(yīng)力區(qū)向高應(yīng)力區(qū)聚集， 從而造成 高應(yīng)力區(qū)的氫脆， 由氫脆造成螺栓斷裂的幾率也 很高， 且一旦產(chǎn)生無法消除［２］。 雖然在電鏡掃描 中沒有發(fā)現(xiàn)氫脆裂紋特征， 但為了確認(rèn)螺栓沒有 發(fā)生氫脆斷裂這一結(jié)論仍然需要進(jìn)行氫含量檢測(cè)。    

對(duì)３個(gè)螺栓裂紋區(qū)域分別取樣， 采用氣相色 譜儀 （型號(hào)： ＧＣ９１９０ＩＩ） 對(duì)３ 個(gè)試樣進(jìn)行氫含量 及化學(xué)成分檢測(cè)， 結(jié)果見表１、 表２。 先來分析表 １ 的檢測(cè)結(jié)果， 從表１中的數(shù)據(jù)來看， ３個(gè)螺栓表 層的氫含量都比芯部略高， 但氫含量都處于較低 可允許的范圍內(nèi)即質(zhì)量分?jǐn)?shù)不超過５×１０－６， 不 容易造成氫脆現(xiàn)象。 除了氫脆以外， 這種裂紋也很可能是由雜質(zhì)元素（特別是Ｓ、Ｐ）含量偏高造 成的。再來看表２的化學(xué)成分，可以看到３個(gè)螺 栓表層裂紋源處的化學(xué)成分符合ＧＢ／Ｔ３０７７ ２０１５中３５ＣｒＭｏ的技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)。

１.３　金相顯微組織觀察及分析    

在化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的前提下，還需要觀察 螺栓內(nèi)部非金屬夾雜物是否符合標(biāo)準(zhǔn)以及是否存 在偏析。    

首先是非金屬夾雜物，指的是鋼中不具有金 屬性質(zhì)的氧化物、硫化物、硅酸鹽和氮化物。這 些夾雜物在鋼中的含量極少，但對(duì)鋼的性能仍然 影響較大，比如它會(huì)破壞金屬基體的連續(xù)性、降 低金屬的塑韌性和疲勞性能，使金屬的冷熱加工 乃至某些物理性能變差［３］。因此，非金屬夾雜物 也可能造成螺栓發(fā)生脆性斷裂，為了確認(rèn)這一可 能性，選?。硞€(gè)螺栓臨近裂紋區(qū)的試樣制備成沒 有經(jīng)過腐蝕的金相試樣，并在顯微鏡（型號(hào)： ＷＴＪ－２０）的明場(chǎng)下觀察，如圖３。根據(jù)ＧＢ／Ｔ １０５６１—２００５《鋼中非金屬夾雜含量的測(cè)定、標(biāo)準(zhǔn) 評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》評(píng)定方法，從圖３中可以看 到非金屬夾雜物在３個(gè)螺栓的斷口處并無聚集， 且五類顆粒含量都符合標(biāo)準(zhǔn)，按照ＧＢ／Ｔ６３９４— ２００２《金屬平均晶粒度測(cè)定方法》評(píng)定晶粒大小 屬于較細(xì)晶粒（見表３），由此可以確定非金屬夾 雜物對(duì)螺栓的性能基本無影響。

其次是偏析，指的是合金中各組成元素在結(jié) 晶時(shí)分布不均勻的現(xiàn)象，金屬部件中主要包含顯 微偏析、宏觀偏析及通道偏析，不管哪一種偏析， 隨著偏析比重的增大，會(huì)使鋼的力學(xué)性能不斷惡 化，特別是塑性和韌性［４］。我們將３個(gè)螺栓臨近 裂紋區(qū)的試樣制備成經(jīng)４％硝酸酒精腐蝕的金相 試樣，從圖４中可以觀察到３個(gè)金相種的回火索 氏體組織分布均勻，且顆?；境实容S形狀，也 沒有發(fā)現(xiàn)粗大晶粒、氣孔或疏松組織，金相中僅 可以發(fā)現(xiàn)極少數(shù)且細(xì)微的偏析組織，這種程度的 偏析對(duì)螺栓的性能影響不大。 

１.４　硬度檢測(cè)及分析    

既然螺栓的成分和組織基本都沒有什么問題， 那測(cè)試一下它們的硬度，確認(rèn)表層是否有發(fā)生脫 碳或增碳現(xiàn)象。鋼在加熱時(shí)，表層的碳與介質(zhì) （或氣氛）中的氧、二氧化碳及水蒸氣等發(fā)生反 應(yīng)，降低了表層碳濃度稱為脫碳，脫碳鋼淬火后 表面硬度、疲勞強(qiáng)度及耐磨性降低，而且表面形 成殘余拉應(yīng)力易形成表面網(wǎng)狀裂紋［５］，一旦裂紋 產(chǎn)生，螺栓在外力作用下很快會(huì)發(fā)生斷裂。另外， 滲碳性氣體在高溫下能分解出大量碳原子滲入鋼鐵零件的表面使其碳含量升高即所謂的增碳， 當(dāng) 表層碳含量身高后其強(qiáng)硬度都會(huì)比芯部來得高， 這種表層和芯部力學(xué)性能不一致會(huì)導(dǎo)致在外力作 用下螺栓表現(xiàn)出來的變形量也不一致， 且在力學(xué) 性能過度區(qū)域很容易造成應(yīng)力集中， 最后形成裂 紋直至斷裂［６］。

脫碳或增碳都會(huì)造成表層硬度和芯部不一樣， 所以只要測(cè)試硬度即可確認(rèn)是否發(fā)生這兩種現(xiàn)象。 我們根據(jù)ＧＢ／Ｔ４３４０． １－２００９ 試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)對(duì)螺栓表 層和芯部進(jìn)行顯微維氏硬度 （設(shè)備型號(hào)： ＬＸ ＨＶ－１０００） 測(cè)試 （見表４）。 由表可知３ 個(gè)螺栓 的硬度測(cè)試結(jié)果都符合ＧＢ／Ｔ ３０９８.１－２０１０ 對(duì) １０. ９ 級(jí)的技術(shù)要求， 表層和芯部的硬度相差無 幾， 沒有發(fā)生脫碳或增碳現(xiàn)象。

１. ５　沖擊吸收功的檢測(cè)及分析    

前文提到３個(gè)螺栓斷口都呈現(xiàn)沿晶裂紋， 作 為脆性斷口， 這種裂紋也很可能是由回火脆性導(dǎo) 致的。 淬火鋼在回火后出現(xiàn)韌性下降的現(xiàn)象稱為 回火脆性， 它可分為第一類回火脆性 （２００ ～ ４００℃之間） 和第二類回火脆性 （４５０ ～６５０℃之 間） 兩種， 那么本文提到的螺栓在淬火后進(jìn)行的 是高溫回火， 可能出現(xiàn)的是第二類回火脆性， 這 類回火脆性， 很大程度上是合金元素造成的， 特別是Ｃｒ元素會(huì)對(duì)這類回火脆性起到促進(jìn)作用， 還 有當(dāng)Ｍｏ元素的含量超過０.５％時(shí)， 也會(huì)起到促進(jìn) 作用［７］。 為了證明第二類回火脆性是否存在， 選 擇制造螺栓的同一批材料加工成沖擊試樣， 并按 照螺栓采用的調(diào)質(zhì)工藝對(duì)試樣進(jìn)行熱處理， 熱處 理后在常溫下進(jìn)行沖擊試驗(yàn) （設(shè)備型號(hào)： ＪＢ ３００Ｂ）， 結(jié)果見表５。 從表５的數(shù)據(jù)可以看到５個(gè) 試樣調(diào)質(zhì)后的沖擊吸收功比ＧＢ／Ｔ３０７７—２０１５ 標(biāo) 準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)值來得大， 也就是說調(diào)質(zhì)后沒有發(fā)生 韌性下降的現(xiàn)象， 反而比調(diào)質(zhì)前的大， 即螺栓沒 有發(fā)生第二類回火脆性。

１. ６　殘余應(yīng)力的檢測(cè)及分析    

可以造成螺栓發(fā)生脆性斷裂的因素還有殘余 應(yīng)力， 所謂殘余應(yīng)力 （也稱內(nèi)應(yīng)力） 指的是工件 在制造過程中， 受到各種制造工藝的作用后保留 在工件內(nèi)部的保持自相平衡的應(yīng)力系統(tǒng)， 雖然殘余應(yīng)力本身是相互平衡的， 但是當(dāng)帶有殘余應(yīng)力 的工件受到外力時(shí)， 就會(huì)造成工件內(nèi)部的應(yīng)力分 布不均勻， 此時(shí)如果整體工作應(yīng)力達(dá)到工件的屈 服強(qiáng)度則會(huì)產(chǎn)生塑性變形， 如果達(dá)到工件的斷裂 強(qiáng)度則會(huì)產(chǎn)生斷裂； 殘余應(yīng)力身高后也會(huì)使得工 件的塑韌性變差， 因而產(chǎn)生脆性裂紋［８］。 從前文 提到的螺栓制造工藝流程猜測(cè)， 這幾個(gè)工序位置 可能產(chǎn)生一定殘余應(yīng)力： 下料、 冷拔、 冷鐓、 滾 絲及淬火， 并且這些工藝基本上是連續(xù)進(jìn)行的， 有可能會(huì)出現(xiàn)各階段的殘余應(yīng)力在表層互相疊加 的現(xiàn)象。 為了證實(shí)這一猜測(cè)， 根據(jù)ＧＢ／Ｔ７７０４ ２０１７ 測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)采用ＸＳｔｒｅｓｓ３０００ 型 Ｘ 射線殘余應(yīng) 力分析儀分別測(cè)量經(jīng)下料、 冷拔、 滾絲及淬火這 些工藝之后螺紋處的殘余應(yīng)力值， 結(jié)果見表６。 從表６的數(shù)據(jù)可以看出每個(gè)工藝完成后都形成了 一定的殘余應(yīng)力， 且總體上呈現(xiàn)走高的趨勢(shì)， 也 就是說出現(xiàn)了應(yīng)力疊加， 特別是在淬火后螺栓的 殘余應(yīng)力已經(jīng)達(dá)到較高數(shù)值， 當(dāng)螺栓表層存在微 裂紋且受力情況下， 殘余應(yīng)力會(huì)在微裂紋周圍發(fā) 生應(yīng)力集中， 并引發(fā)微裂紋迅速擴(kuò)展直至斷裂。

２　綜合分析及工藝改進(jìn)    

綜合分析以上測(cè)試結(jié)果可以知道螺栓發(fā)生斷 裂很可能是殘余應(yīng)力過大引起的， 那么就需要通 過改進(jìn)工藝來降低殘余應(yīng)力的影響， 保證螺栓在 后期的檢測(cè)或使用過程中不再發(fā)生過早的斷裂。 再從表５中的數(shù)據(jù)來分析： 首先下料這一階段本 身不會(huì)形成多大的殘余應(yīng)力， 但下料前的鑄造工 藝會(huì)形成一定的熱應(yīng)力和組織應(yīng)力， 這種熱應(yīng)力 引起的殘余應(yīng)力表現(xiàn)為螺栓表層為壓應(yīng)力狀態(tài)、 芯部為拉應(yīng)力狀態(tài)， 表層應(yīng)力值較大， 應(yīng)該是熱 應(yīng)力比組織應(yīng)力來得大； 淬火后的螺栓跟鑄造工 藝形成的殘余應(yīng)力狀態(tài)是一樣的， 表層應(yīng)力值也 是較大的； 而冷拔和冷鐓就相反， 冷拔在螺栓徑 向表層產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是壓應(yīng)力， 冷鐓在螺帽徑 向產(chǎn)生的殘余應(yīng)力是拉應(yīng)力， 所以冷拔和冷鐓殘 余應(yīng)力在螺帽處基本呈現(xiàn)抵消的狀態(tài)［９］。 因此對(duì)于１＃、 ２＃螺栓來說， 螺紋處的殘余應(yīng)力是鑄造、 冷拔、 滾絲、 淬火后的應(yīng)力疊加， 疊加后殘余應(yīng) 力過高， 在外力作用下發(fā)生脆斷； 而對(duì)于３＃螺栓 來說， 法蘭根部和螺紋交接處其殘余應(yīng)力交錯(cuò)， 也容易產(chǎn)生應(yīng)力集中引發(fā)后續(xù)的脆斷。    

綜上所述， 除了３個(gè)斷裂螺栓存在以上現(xiàn)象 外， 其他未斷裂螺栓也有很大概率在淬火后形成 過大殘余應(yīng)力的現(xiàn)象， 所以為了避免螺栓再次出 現(xiàn)這種現(xiàn)象， 必須在容易形成較大應(yīng)力的鑄造之 后和淬火工藝前后采用適當(dāng)?shù)墓に噥斫档蜌堄鄳?yīng) 力的影響。     

首先是鑄造產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 最經(jīng)濟(jì)有效的方 法是在下料之后進(jìn)行球化退火， 通過球化退火可 以有效的降低鑄造時(shí)產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 并使珠光體 球狀化、 細(xì)化晶粒， 提高螺栓的力學(xué)性能為后續(xù) 加工做好組織準(zhǔn)備［１０］， 其工藝操作方法是將螺栓 加熱至７６５ ±５℃ 保溫２ ｈ， 再降溫至７００ ±１０℃ 保溫４ ｈ后隨爐冷卻至５００℃出爐空冷。      

其次是淬火產(chǎn)生的熱應(yīng)力， 由于在淬火之后 已經(jīng)安排了高溫回火， 所以需要在淬火之前滾絲 之后盡量降低殘余應(yīng)力的影響， 否則冷拔、 滾絲、 淬火后的應(yīng)力疊加也容易引起斷裂， 一開始的設(shè) 想是在滾絲之后對(duì)螺栓進(jìn)行去應(yīng)力退火， 但這一 工藝的保溫時(shí)間比較長(zhǎng)， 加上已經(jīng)增加了球化退 火這一工藝， 兩個(gè)工藝會(huì)大大延緩生產(chǎn)周期降低 經(jīng)濟(jì)效益。 因此， 經(jīng)過探討研究發(fā)現(xiàn)， 將滾絲的 工序位置調(diào)到調(diào)質(zhì)之后更為合適， 一是不會(huì)增加 生產(chǎn)周期， 二是滾絲之后對(duì)螺紋表層形成的壓應(yīng) 力有利于提高疲勞強(qiáng)度， 延緩疲勞斷裂［１１］。     

因此， 工藝改進(jìn)之后３５ＣｒＭｏ 高強(qiáng)度螺栓的 制造工藝流程為： 下料→球化退火→冷拔→冷鐓 →熱處理 （調(diào)質(zhì)） →滾絲、 搓絲→電鍍→檢測(cè)→ 包裝。 按照此工藝制造出來的螺栓性能參數(shù)如表 ７， 可見性能上明顯得到優(yōu)化和提高， 也證明了此 工藝的可行性。

３　結(jié)語 

１） 斷裂的螺栓其斷口呈現(xiàn)沿晶裂紋， 無塑性變形無疲勞形貌， 屬于脆性斷裂； 

２） 螺栓斷裂的主要原因是淬火之前的工藝 形成的殘余壓應(yīng)力疊加， 并在淬火后殘余壓應(yīng)力 再次疊加， 造成表層應(yīng)力過大促進(jìn)微裂紋擴(kuò)展， 并最終形成裂紋， 以至于檢測(cè)時(shí)受力發(fā)生脆斷。 

３） 在下料工序之后增加球化退火以降低殘 余應(yīng)力， 提高組織力學(xué)性能， 將滾絲工序調(diào)到調(diào) 質(zhì)之后預(yù)防淬火開裂， 延緩疲勞斷裂。 

４） 工藝改進(jìn)之后， 再無出現(xiàn)檢測(cè)過程中發(fā) 生脆斷的現(xiàn)象， 且在后續(xù)使用中無出現(xiàn)不良問題。

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