摘要： 通過(guò)對(duì)路試斷裂螺栓套進(jìn)行斷口和能譜分析，確定斷裂失效模式為延遲性開(kāi)裂，并進(jìn)一步從金相和硬度方面分析認(rèn)為，不當(dāng)?shù)暮附庸に噷?dǎo)致螺栓套形成中碳馬氏體，硬度偏高是延遲開(kāi)裂的主要原因。通過(guò)改進(jìn)螺栓套焊接工藝解決了螺栓套硬度偏高問(wèn)題，改進(jìn)后再次進(jìn)行金相和硬度檢驗(yàn)，螺栓套馬氏體含量和硬度均降低到合理范圍內(nèi)，螺栓套延遲開(kāi)裂問(wèn)題得到了有效控制。
關(guān)鍵詞：螺栓套 焊接 延遲開(kāi)裂 馬氏體
1 前言
汽車(chē)螺栓套是懸架與車(chē)身的關(guān)鍵連接點(diǎn)，需滿足連接的剛度、強(qiáng)度、焊接性能等特殊性能。它直接關(guān)系到車(chē)輛的穩(wěn)定性和乘員的舒適性，為保證連接強(qiáng)度，螺栓套一般與車(chē)身采用焊接方式連接[1]。如果螺栓套出現(xiàn)斷裂失效與車(chē)身之間失去連接作用，輕則引起車(chē)輛異響，客戶抱怨，對(duì)車(chē)輛的品牌形象造成不良影響，重則引起車(chē)身穩(wěn)定性變差，在車(chē)輛急轉(zhuǎn)彎過(guò)程中傾斜角度變大，易引起交通事故。
為保證螺栓套和車(chē)身之間的焊接性能，同時(shí)考慮螺栓套配合高強(qiáng)度螺栓（10.9 級(jí)），因此螺栓套一般選用中碳鋼或中碳合金鋼。由于中碳鋼焊接性能較差，如果焊接工藝參數(shù)不合理，常出現(xiàn)冷裂紋缺欠[2]。當(dāng)前，相關(guān)文獻(xiàn)多認(rèn)為高強(qiáng)鋼焊接冷裂紋（延遲裂紋）產(chǎn)生機(jī)理與局部的氫聚集有關(guān)，而對(duì)其他原因的分析較少。本研究主要從工程技術(shù)角度出發(fā)，通過(guò)對(duì)某35CrMo 材料的失效螺栓套進(jìn)行斷口宏微觀分析，并對(duì)其金相組織、硬度、化學(xué)成分進(jìn)行檢測(cè)，從而確定螺栓套斷裂失效模式和性質(zhì)，對(duì)其失效機(jī)理進(jìn)行深入分析，以期通過(guò)優(yōu)化焊接工藝，解決螺栓套開(kāi)裂問(wèn)題。
2 故障背景
如圖1 所示，某型號(hào)車(chē)型在整車(chē)路試可靠性試驗(yàn)進(jìn)行到3 000 圈左右（設(shè)計(jì)壽命要求5 000 圈）時(shí)車(chē)身發(fā)生嚴(yán)重異響抖動(dòng)，現(xiàn)場(chǎng)檢查確認(rèn)，車(chē)身與車(chē)架連接處用螺栓套在焊機(jī)處發(fā)生開(kāi)裂，螺栓套開(kāi)裂部位銹蝕較為嚴(yán)重。
圖1 螺栓套外觀及斷裂位置
3 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果
3.1 螺栓套斷裂特征和宏觀斷口分析
整車(chē)路試可靠性車(chē)輛螺栓套開(kāi)裂發(fā)生在車(chē)身連接焊接處，斷裂處表面沒(méi)有明顯異常和缺陷，車(chē)身經(jīng)涂裝后螺栓套表面呈灰色，如圖2 所示。
圖2 開(kāi)裂失效螺栓套形貌螺
栓套斷口附近無(wú)明顯宏觀塑性變形，斷口斷裂方向垂直于拉伸載荷方向，斷面有嚴(yán)重氧化生銹痕跡。斷面形態(tài)分為兩部分（標(biāo)記為A 區(qū)和B區(qū)）。A 區(qū)所占面積最大，約占整個(gè)斷口的80%，局部可見(jiàn)明顯與表面涂裝色彩相似的油漆物質(zhì)，如圖3。而B(niǎo) 區(qū)所占面積最小，約占整個(gè)斷口的20%，并未觀察到類(lèi)似涂裝色彩的物質(zhì)，且斷面有明顯的金屬反復(fù)擠壓形成的金屬光亮色，斷面損傷較嚴(yán)重，已失去進(jìn)一步微觀形貌分析的意義。由此推斷，裂紋首先產(chǎn)生于A 區(qū)，B 區(qū)斷口是在后續(xù)車(chē)輛路試過(guò)程中在外力反復(fù)作用下形成的。
圖3 斷裂失效螺栓套斷口宏觀形貌斷
口經(jīng)超聲波清洗后，在Stemi 508 體式顯微鏡下將圖3 的A 區(qū)中疑似油漆色彩物質(zhì)放大觀察，疑似油漆層呈流淌狀分布，并伴有顆粒狀物質(zhì)，疑似焊接飛濺，如圖4 所示。雖然斷口氧化損傷較嚴(yán)重，但在部分區(qū)域仍然能夠觀察到暗灰色顆粒狀的粗糙斷裂面，并有明顯發(fā)亮的小刻面，為典型脆性斷裂特征，如圖5 所示。
圖4 斷裂失效螺栓套斷面油漆宏觀形貌圖
5 斷裂失效螺栓套宏觀脆性斷口形貌
3.2 微觀斷口和能譜分析
利用掃描電鏡對(duì)斷口形貌進(jìn)行觀察，整個(gè)斷裂面均呈典型的沿晶冰糖狀花樣，晶粒明顯，晶面光滑，未見(jiàn)明顯雞爪花樣，如圖6 所示。
圖6 宏觀脆性區(qū)斷口微觀形貌
對(duì)斷口疑似油漆層物質(zhì)區(qū)域進(jìn)行能譜分析，其成分以C 為主，以Si、Ti、Ai 為輔，如圖7 所示，其成分符合汽車(chē)涂裝油漆成分結(jié)構(gòu)[3]。上述結(jié)果表明，螺栓套在車(chē)身涂裝之前已開(kāi)裂。
圖7 斷口油漆層能譜分析結(jié)果
3.3 理化檢驗(yàn)
3.3.1 元素含量檢驗(yàn)
失效螺栓套的元素含量檢驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求見(jiàn)表1，檢驗(yàn)結(jié)果符合技術(shù)要求。
表1 螺栓套元素含量檢驗(yàn)結(jié)果及技術(shù)要求（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） %
3.3.2 金相檢驗(yàn)
垂直于斷口方向截取金相試樣，經(jīng)鑲樣、磨拋、腐蝕后，其宏觀形貌如圖8 所示。圖8 中焊縫區(qū)金相組織呈柱狀晶分布，晶界處為鐵素體，晶內(nèi)為索氏體和針狀鐵素體，呈魏氏組織，如圖9 所示；焊接熱影響區(qū)，即焊縫寬度方向所有螺紋金相組織均為中等針狀馬氏體，如圖10 所示；螺栓套母材金相組織為回火索氏體，如圖11 所示；斷口表面可見(jiàn)明顯油漆覆蓋層，如圖12 所示。
圖8 斷口宏觀結(jié)構(gòu)形貌
圖9 焊縫區(qū)金相組織 100×
圖10 熱影響區(qū)金相組織 500×
圖11 螺栓套母材金相組織 500×
圖12 斷口處金相組織 200×
3.3.3 硬度分析
螺栓套焊接接頭硬度曲線如圖13 所示，硬度測(cè)量垂直熔合線的焊縫進(jìn)行， 硬度點(diǎn)對(duì)應(yīng)各區(qū)域已在圖13 中標(biāo)明?？梢?jiàn)，焊接熱影響區(qū)硬度在570～600 HV 范圍內(nèi)， 結(jié)合熱影響區(qū)金相組織可知，螺栓套（35CrMo）在焊后冷卻較快，熱影響區(qū)形成馬氏體組織，導(dǎo)致該區(qū)域硬度偏高。
圖13 螺栓套焊接接頭硬度曲線
4 失效原因分析與討論
螺栓套通過(guò)焊接方式連接到車(chē)身上，車(chē)身整體涂裝處理+烘烤，如果在涂裝前開(kāi)裂，則起源區(qū)域會(huì)覆蓋與涂裝油漆層相同顏色的覆蓋層。圖4所示為螺栓套斷面照片，斷裂面有明顯與表面涂裝色彩相同的覆蓋層，且伴有大量顆粒狀焊接飛濺。能譜檢測(cè)結(jié)果表明其表面覆蓋層符合汽車(chē)涂裝油漆成分結(jié)構(gòu)。由此可判斷，螺栓套在涂裝前已發(fā)生開(kāi)裂。
斷口檢測(cè)結(jié)果顯示，裂紋源起源于螺栓套焊接熱影響區(qū)，斷面正常以沿晶為主。
車(chē)身焊接產(chǎn)線反饋該螺栓套在焊接后涂裝前檢查時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)開(kāi)裂，結(jié)合上述脆性沿晶的斷口特征可判斷該路試斷裂性質(zhì)應(yīng)為延遲開(kāi)裂。
延遲開(kāi)裂是指在一定組織狀態(tài)下及張應(yīng)力作用下，金屬零件裂紋萌生、穩(wěn)定擴(kuò)展、失穩(wěn)擴(kuò)展的失效全過(guò)程，亦稱(chēng)靜疲勞[4]。
工程技術(shù)上延遲開(kāi)裂主要分為高強(qiáng)鋼延遲開(kāi)裂和應(yīng)力腐蝕兩大類(lèi)。其中應(yīng)力腐蝕是指金屬零件在一定的應(yīng)力和一定的腐蝕介質(zhì)作用下導(dǎo)致的破斷失效[5]，應(yīng)力腐蝕屬于局部腐蝕，在開(kāi)裂的斷口表面會(huì)檢測(cè)到腐蝕介質(zhì)的存在，如氯元素[6]。而失效件的斷裂面未見(jiàn)相關(guān)腐蝕物質(zhì)，因此可以判斷：螺栓套開(kāi)裂非應(yīng)力腐蝕，而是高強(qiáng)鋼延遲開(kāi)裂。
高強(qiáng)鋼延遲開(kāi)裂涵蓋的范圍很廣，包括各種高強(qiáng)度螺栓、彈性元件、滲碳感應(yīng)淬火件、調(diào)質(zhì)件等，其中還包括一些常見(jiàn)的零件工藝缺陷，如淬火裂紋、磨削裂紋及焊接冷裂紋等[7]。根據(jù)金相組織分析結(jié)果認(rèn)為螺栓套延遲開(kāi)裂主要與焊接冷裂紋有關(guān)。
高強(qiáng)鋼延遲開(kāi)裂主要與以下3 個(gè)因素有關(guān)[8]：氫的存在和作用；足夠的拉應(yīng)力，包括零部件內(nèi)在的組織應(yīng)力和外在的工作應(yīng)力；馬氏體及其“不充分”的回火組織。其中：具有馬氏體組織的材料擁有較高的強(qiáng)度，是延遲開(kāi)裂的必要條件；應(yīng)力和氫是延遲開(kāi)裂的充分條件。依據(jù)國(guó)際焊接學(xué)會(huì)推薦的碳當(dāng)量計(jì)算公式[9]為：
式中：CE 為碳當(dāng)量，ω 為各元素在鋼中的質(zhì)量分?jǐn)?shù)。
根據(jù)螺栓套化學(xué)成分，螺栓套焊接碳當(dāng)量約為0.72%，當(dāng)碳當(dāng)量>0.60%時(shí)鋼材的脆硬性高，焊接性差，焊接冷裂傾向增大[10]。螺栓套焊接后在熱影響區(qū)形成中碳馬氏體，使該區(qū)域硬度較高，根據(jù)螺栓套硬度測(cè)試結(jié)果顯示，熱影響區(qū)硬度高達(dá)600 HV，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出螺栓套正常硬度范圍。依據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》，其抗拉強(qiáng)度超過(guò)1 888 MPa，強(qiáng)度越高，延遲開(kāi)裂敏感性越強(qiáng)，出現(xiàn)延遲開(kāi)裂的概率越高。
關(guān)于應(yīng)力場(chǎng)問(wèn)題，如圖14 所示，主要考慮淬火組織區(qū)域（熱影響區(qū)）受到未淬火區(qū)域（母材）的約束，各部分膨脹收縮差異較大。即淬火區(qū)域與未淬火的區(qū)域之間構(gòu)成了拉應(yīng)力場(chǎng)，在過(guò)渡區(qū)的淬火組織一側(cè)開(kāi)裂。因此，該裂紋實(shí)際上也屬于淬火裂紋的一種。
圖14 螺栓套焊接接頭應(yīng)力場(chǎng)示意
氫因素可能來(lái)源于3 個(gè)方面[11]：原材料制造過(guò)程、零件表面涂裝前酸洗過(guò)程、焊接過(guò)程。由于原材料來(lái)自正規(guī)的供貨渠道、涂裝酸洗工藝正常、表面油漆層完好，無(wú)腐蝕發(fā)生，且焊接現(xiàn)場(chǎng)為恒溫恒濕場(chǎng)所，焊接前焊絲經(jīng)烘烤處理，因此引入大量的氫導(dǎo)致延遲開(kāi)裂的因素不成立。
基于延遲斷裂各影響因素的排查結(jié)果，本次車(chē)身用螺栓套延遲開(kāi)裂主要與熱影響區(qū)馬氏體組織有關(guān)，馬氏體組織的形成與其焊接工藝參數(shù)有關(guān)。
5 改進(jìn)建議
針對(duì)螺栓套斷裂失效模式及原因，提出改進(jìn)建議：對(duì)螺栓套進(jìn)行焊前預(yù)熱、焊后緩冷，提高熱輸入量和焊接速度，控制熱影響區(qū)的脆性馬氏體含量。
通過(guò)以上優(yōu)化改進(jìn)，螺栓套焊接熱影響區(qū)組織細(xì)小馬氏體+屈氏體+塊狀鐵素體如圖15 所示，熱影響區(qū)最高硬度為335 HV，較改進(jìn)前明顯降低，如圖16 所示，說(shuō)明該區(qū)域塑性和韌性提高，延遲裂紋敏感性降低。工藝改進(jìn)后的螺栓套未發(fā)現(xiàn)延遲開(kāi)裂現(xiàn)象。
圖15 改進(jìn)后熱影響區(qū)金相組織 200×
圖16 改進(jìn)后螺栓套焊接接頭硬度曲線
由于35CrMo 材料為中碳合金結(jié)構(gòu)鋼，焊接性較差，這是材料特性決定的，因此行業(yè)內(nèi)往往采取焊前預(yù)熱、降低冷卻速度的方式來(lái)控制。通過(guò)以上驗(yàn)證也充分證實(shí)了該方案的可行性。但由于汽車(chē)產(chǎn)業(yè)采用大規(guī)模生產(chǎn)方式，如果通過(guò)焊前預(yù)熱的方式降低馬氏體的含量，雖然能夠在一定程度上降低螺栓套延遲開(kāi)裂的風(fēng)險(xiǎn)，但其生產(chǎn)周期和成本必然會(huì)上升，且對(duì)焊接工藝要求較高。因此，建議將螺栓套材料更換為焊接性較好，又能縮短生產(chǎn)周期和降低成本的低碳合金鋼10B21 材料。
焊接性的最主要影響因素是化學(xué)元素碳，由于10B21 材料含碳量?jī)H為0.18%～0.23%，碳當(dāng)量約為0.3%～0.4%，遠(yuǎn)小于35CrMo 材料的碳當(dāng)量（0.72%），因此焊接性好，廣泛應(yīng)用于制造高強(qiáng)度緊固件和焊接結(jié)構(gòu)件[12]。
6 結(jié)束語(yǔ)
a.螺栓套在焊接后、涂裝前已經(jīng)發(fā)生開(kāi)裂，開(kāi)裂失效模式為延遲性開(kāi)裂，其原因主要與不當(dāng)?shù)暮附庸に囀孤菟ㄌ谉嵊绊憛^(qū)組織轉(zhuǎn)變?yōu)橹刑捡R氏體，導(dǎo)致硬度偏高有關(guān)，增加了延遲開(kāi)裂的敏感性。
b.針對(duì)螺栓套延遲開(kāi)裂的原因提出了優(yōu)化焊接工藝的建議。通過(guò)優(yōu)化焊接參數(shù)和工藝流程、控制熱影響區(qū)馬氏體的含量，降低硬度、螺栓套延遲開(kāi)裂問(wèn)題得到了有效控制。
c.從生產(chǎn)周期和成本方面考慮，建議將35CrMo 材料更換為10B21 材料。
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