某型號新能源汽車懸架用六內(nèi)角螺栓的材料為SCM435鋼，性能等級為12.9級，該螺栓安裝在拖曳臂式懸架上。螺栓制備過程為：冷鐓成型→除磷→搓牙→熱處理→發(fā)黑處理→終檢。該螺栓在動態(tài)檢測過程中發(fā)生斷裂。研究人員采用一系列理化檢驗方法對該螺栓的斷裂原因進行分析，并提出了改進建議，以避免該類問題再次發(fā)生。
01理化檢驗
1.1 宏觀觀察
圖1是斷裂和未斷裂螺栓的宏觀形貌。由圖1可知：螺栓表面發(fā)黑，螺栓的斷裂位置為其頭桿結(jié)合處。該結(jié)合處的幾何形狀突變位置是應(yīng)力集中區(qū)域，容易在動態(tài)載荷下產(chǎn)生裂紋并擴展。
圖2為斷裂螺栓斷面的宏觀形貌。由圖2可知：螺栓斷面較為粗糙，未見疏松、夾雜等缺陷，局部存在銹蝕和蹭傷痕跡。
1.2 化學(xué)成分分析
對斷裂螺栓基體進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學(xué)成分符合JIS G 4053—2016《機械結(jié)構(gòu)用低合金鋼》對SCM435鋼的要求。
1.3 掃描電鏡 (SEM) 及能譜分析
將螺栓斷口用乙醇溶液超聲清洗，然后置于掃描電鏡下觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：根據(jù)斷面擴展紋路可以判斷，Ⅰ區(qū)為斷裂起始區(qū)域，Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)均呈沿晶斷裂形貌；Ⅲ區(qū)主要呈韌窩斷裂形貌。
對螺栓斷口進行能譜分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：螺栓斷口成分均為基體元素。
圖5為螺栓頭部截面SEM形貌。圖6為螺栓頭部截面能譜分析結(jié)果。由圖6可知：螺栓頭部表層富含O、P、K等元素。圖7為螺栓頭部截面的面掃描分析結(jié)果，可見該區(qū)域的O、P元素分布與灰色氧化層相對應(yīng)。
1.4 金相檢驗
圖8為斷裂螺栓斷口截面低倍形貌。由圖8可知：其頭桿端和螺紋端斷口相互耦合，未見明顯變形流線。
圖9，10分別為斷裂螺栓頭桿端和螺紋端斷口截面微觀形貌。由圖9~10可知：其斷口截面呈鋸齒狀，附近未見異常疏松、夾雜、老舊裂紋等缺陷，表層存在深灰色氧化層。
圖11，12分別為螺栓頭桿端和螺紋端斷口截面的顯微組織形貌。由圖11~12可知：螺栓的顯微組織均為索氏體+極少量鐵素體，在螺栓頭部表層及起裂處表面均存在深度約為10μm的白亮層。
斷裂螺栓螺牙截面的微觀形貌如圖13所示。由圖13可知：螺牙過渡區(qū)域加工質(zhì)量良好，該區(qū)域的顯微組織為索氏體+極少量鐵素體，表層未見氧化脫碳層。
依據(jù)GB/T 10561—2023《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對斷裂螺栓進行非金屬夾雜物檢測，結(jié)果如圖14所示。由圖14可知：斷裂螺栓中夾雜物級別為A0.5、A0.5e、D1.0級，材料純凈度較好。
對未斷裂螺栓進行金相檢驗，結(jié)果如圖15所示。由圖15可知：未斷裂螺栓基體的顯微組織為索氏體+極少量鐵素體；未斷裂螺栓表層存在晶界氧化層，深度約為27μm，該區(qū)域的顯微組織與基體一致，均為索氏體+極少量鐵素體，表層存在深度約為26μm的白亮層。
1.5 顯微硬度測試
對未斷裂螺栓進行顯微硬度測試，結(jié)果分別為445，442，449 HV0.3，均值高于GB/T 3098.1—2010《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》對12.9級螺栓的要求。
02綜合分析
螺栓斷裂位置為頭桿過渡處，螺栓斷口均較為粗糙，未見疏松、夾雜、老舊裂紋等材料缺陷，局部存在擠壓蹭傷痕跡。斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標準要求，材料純凈度較好。斷裂起始位置為螺栓表面，斷裂起始區(qū)和擴展區(qū)以沿晶斷裂形貌特征為主，瞬斷區(qū)主要為韌窩形貌，表明螺栓發(fā)生了一次脆性斷裂，未發(fā)現(xiàn)疲勞斷裂特征。螺栓基體組織為索氏體+極少量鐵素體，顯微硬度高于標準要求。熱處理時回火溫度偏低會使螺栓的硬度升高，從而材料的塑性降低。
斷裂螺栓頭部表層存在深度約為26μm的白亮層。螺栓螺牙過渡區(qū)加工質(zhì)量良好，螺牙根部存在塑性變形流線，該處組織為索氏體+極少量鐵素體，表層未見氧化脫碳層。在起裂處表面存在深度約為10μm的白亮層。白亮層中P 元素質(zhì)量分數(shù)為1%，超出GB/T 3098.1—2010的標準要求（不大于0.030%），因此推斷該白亮層為熱處理前局部磷化膜未去除干凈引起的滲磷層。螺栓表面殘留的磷化膜會使螺栓在熱處理過程中滲磷，螺栓近表面基體的磷元素含量增加，引起表面脆性顯著增大，因此在熱處理前必須進行去除磷化膜處理。
03結(jié)論
該螺栓具有一次脆性斷裂特征，不具備疲勞斷裂特征，斷裂處為應(yīng)力集中處。螺栓表面滲磷層的存在增大了表面脆性，在螺栓后續(xù)承受的異常載荷作用下，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生脆性斷裂。此外，螺栓基體硬度偏高，導(dǎo)致材料塑性降低，進一步促進了螺栓的斷裂。
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