汽车高调环球国际官网断裂失效分析

2015-10-26  浏览量:946
环球国际官网  失效分析实验室
1  引言
图1为3只国产环球国际官网强度测试后图片,均断裂,其中一只国产环球国际官网断件仍留在托板上,未拆离。图2为3只进口环球国际官网,左边的2只,已做强度测试,没有断裂;右边的1只,未做测试。
客户要求分析国产件失效原因,为改善产品质量提供依据。同时,提供5件新品国产件,供分析对比用。
 
失效分析 失效分析
图1. 失效的国产环球国际官网 图2. 进口环球国际官网
 
2  检查分析 
2.1  外观检查
如图3、图4所示,检查图中1#、2#失效环球国际官网,都出现以螺孔位置为拐点的宏观面弯曲变形,失效环球国际官网断裂位置、断裂路径、断口颜色大致相同。如图5所示,检查未拆卸的3#环球国际官网,也具有大致相同的断裂特征。因此,确定三只国产环球国际官网断裂原因相同。
如图6所示,将1#失效件断裂的两部分拼合,发现螺栓不是垂直于环球国际官网平面,而是沿环球国际官网中心线倾斜。检查其他强度试验件,都有同样现象。
如图7所示,环球国际官网断口颜色为深灰色,无光泽,断面不平。
如图8所示,贴有“进口未破坏”黄色标签的环球国际官网是进口件,已做过测试;另外1件是新的国产件。如表1所示,测量比较发现,国产件D1、D2圆沿周向沟痕较深,并且圆的直径大于进口件对应圆直径d1、d2;D1(d1)到D2(d2)圆台阶高度H,国产件更大;D1-D2>d1-d2,即国产件圆间距也大于进口件,钢板厚度则小于进口件。分析认为,同种材料条件下,圆周沟痕越深,直径越大,D1(d1)到D2(d2)圆台阶越高,圆间距越宽,变形越大,应力也越大,沿圆周开裂的可能性越大。因此,国产件环球国际官网在螺栓孔周边变形应力大于进口件,国产件模具及压力加工工艺有改善的空间。
 
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图3. 失效环球国际官网断口俯视检查 图4. 失效环球国际官网断口侧面检查
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图5. 失效件检查 图6. 拼合检查
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图7. 断口检查 图8. 进口件与国产件
 
表1: 螺栓沉孔测量数据(mm)
组别 序号 D1(d1) D2(d2) H T
进口件 1 15.18 13.28 0.86 5.06
2 15.14 13.17 0.90 5.08
平均值 15.16 13.22 0.88 5.07
国产件 1 15.82 13.45 1.11 4.71
2 15.89 13.44 1.10 4.71
平均值 15.86 13.44 1.10 4.71
备注 (1)H是D1(d1)到D2(d2)台阶高度,T是环球国际官网螺栓孔最近环球国际官网边缘厚度;
(2)因测试件变形,测量数据仅供对比用,不做产品具体尺寸依据。
 
2.2  显微检查
如图9所示,断口附近的螺纹根部凹陷变形,加工纹间距增宽,壁厚减薄。
图10、图11中标示出裂纹源所在的微观和宏观位置。如图10所示,白色线条圈起的区域就是裂纹源区,存在较多微孔,是拉应力条件下微孔聚合断裂特征。图中,有两处裂纹扩展方向,分别用箭头A和B标示。裂纹扩展区A颜色深灰色,裂纹先扩展,扩展速度较慢;裂纹扩展区B颜色偏浅,扩展时间晚,扩展的速度快。箭头B起始处出现与箭头线垂直的台阶,正是两次裂纹扩展相交线的结果。
如图12是对裂纹源区检查,发现裂纹源区颜色较深,存在较多微孔,属于微孔聚合型断裂。在裂纹源区同样观察到大量白点聚集,在白点聚集的区域,断裂速度快。分析,白点聚集是氢脆的基本特征。因此,确认微孔聚合与氢脆并存是本次开裂的基本特征。
如图13所示,裂纹沿螺纹根部附近周向扩展,裂纹扩展路径锯齿形,开裂面参差不平,具有沿晶走向特征。在图14中,也能观察到裂纹周向扩展的痕迹。黑色区域是延性断裂特征,白色区域白点聚集,断口平直,脆性增大。
 
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图9. 螺纹根部变形检查 图10. 断口检查
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图11. 裂纹源区宏观位置 图12. 裂纹源区微孔特征
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图13. 螺纹根部附近裂纹沿圆周扩展处 图14. 裂纹扩展观察
 
2.3  金相检查
如图15、图16所示,随机抽取1只新的国产环球国际官网,对比检查国产件与2#进口件螺栓喇叭孔过渡圆角发现,国产件圆角小,过渡不圆滑,进口件螺纹根部圆角大,圆角与边缘线相切良好,没有转折。国产件的圆角过渡区结构应力大于进口件。
图17、18是国产件与进口件螺牙对比检查,国产件螺纹根部过渡不圆滑,螺牙顶部较窄,应力集中明显;进口件螺纹根部过渡圆滑,螺牙顶部宽,应力集中明显小于国产件。进口件螺牙截面有圆孔,有助受力缓冲。考虑到解剖的进口件是测试后的产品,目前也还未见此方面的理论及加工工艺介绍,所以在此不对螺牙截面中的圆孔做进一步评论。
如图19所示,为国产件次表层金相组织,图20是国产件心部金相组织。次表层和心部组织相差不大,为保持M位相的回火S+回火T,以及少量的B+极少量F。
 
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图15. 国产件根部圆角检查(50X) 图16. 进口件根部圆角检查(50X)
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图17. 国产件螺纹检查 图18. 进口件螺纹检查
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图19. 国产件边缘组织(1000X) 图20. 国产件心部组织(1000X)
 
图21为进口件螺纹根部附近边缘组织,其中方形框内的显微裂纹,起源于切割面,是制样过程中形成的。图22、图23为螺纹根部附近心部金相组织。边缘和心部均为:F+少量P+细小弥散析出的合金相。铁素体基体中分布细小弥散的合金相,不但能提高基体的强度,而且有助于提高材料的延伸率。进口环球国际官网的金相组织检查结果表明,该材料为一种具有高强度、高塑性的高强钢。
 
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图21. 进口件边部组织(500X) 图22. 进口件心部组织(500X)
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图23. 进口件心部组织(1000X)  
 
2.4  硬度试验
将新品国产件和进口件2#,沿与环球国际官网纵向垂直的直径方向,剖开螺栓孔,对比检查剖面硬度,测量结果如表2所示。国产件的硬度接近进口件的2倍,依据GB/T 1172换算成洛氏硬度为45.5HRC,高于图纸(GTQ-YL190503)要求的38~42HRC。钢的硬度越高,氢脆的危险性越大。
 
表2: 环球国际官网硬度检查结果(HV0.3)
检测部位 1 2 3 4 平均值
进口件 心部 248.8 248.9 235.5 246.4 244.9
螺栓喇叭孔附近 253.1 255.8 240.5 239.8 247.3
国产件 心部 459.4 436.5 453.6 443.8 448.3
螺栓喇叭孔附近 447.3 447.5 442.2 441.9 444.7
 
2.5  SEM分析
如图24所示,裂纹源区域是微孔及韧性的发丝,微观上具有准解离特征。
如图25所示,在裂纹扩展区,是片状裂纹结构,与氢脆作用相关。
如图26所示,观察到类似鸡脚爪形状的白色撕裂楞,进一步证实国产环球国际官网中确有氢脆存在。
 
失效分析 失效分析
图24. 裂纹源区 图25. 片状裂纹结构
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图26. 氢脆形貌特征  
 
2.6  化学成分分析  
采用硫碳分析仪+ICP检查材料化学成分,分析国产环球国际官网钢材料成分结果见表3,与GB/T 3077对照,符合40CrA钢元素含量范围。
 
表3:国产环球国际官网钢材化学元素分析结果(Wt%)
元素 C Si Mn P S Cr Ni Cu
高级优质钢技术要求 0.37~0.44 0.17~0.37 0.50~0.80 ≤0.025 ≤0.025 0.80~1.10 ≤0.30 ≤0.25
实测结果 0.4312 0.2033 0.6109 0.0127 0.0152 0.9726 0.0223 0.0306
 
3  理论分析
环球国际官网螺栓孔经拉凸工序,拉伸变形较大,残余拉应力较大。强度测试前,因装配螺栓增加预紧力,内螺纹再次变形。强度测试时,如图27所示,环球国际官网连接螺栓受力F总可分解为Fx和Fy两个分力,其中螺栓受力Fy,反过来对环球国际官网螺栓孔产生大小Fy拉力,每个内螺牙分担的力为Fy/n(n为内螺纹螺牙个数)。
设Fx到环球国际官网厚度中间线的距离为H,则环球国际官网受弯曲力矩M=Fx*H,环球国际官网因此沿螺栓孔AB中心线面弯曲。
受力分析发现,环球国际官网在AB螺孔中心线位置附近的螺牙受力最大,变形最大。
环球国际官网喇叭孔内螺纹根部位置接近环球国际官网厚度中心线,螺纹根部几何突变,应力集中较大,残余应力高,并且在内螺纹大径位置,环球国际官网截面厚度最薄,受拉应力变形时,容易出现颈缩。当拉伸变形大于材料延伸率时,出现开裂现象。这与显微观察到裂纹源处微孔聚合断裂特征相吻合。
 
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图27. 环球国际官网受力分析示意图
 
40Cr钢拉伸变形能力有限。GB/T 3077给出该材料调质条件下,抗拉强度为980MPa时,对应的断后伸长率为9%。对照GB/T 1172发现,抗拉强度为980MPa时,对应的硬度为31.5HRC。当40Cr钢硬度达到45.5HRC时,材料断后伸长率降低,低于调质状态时的9%。
从检查结果来看,国产环球国际官网材料有氢脆现象。40Cr钢在高硬度时,氢脆的危险性更高。电镀时,H+向材料内部扩散。当裂纹经过H+集聚区域,材料的脆性大,即使是在较低的应力条件下,裂纹也能快速扩展。
从裂纹源区域的检查分析结果来看,国产环球国际官网开裂兼有微孔聚合与氢脆特征。
环球国际官网强度测试时,图27中的AB截面受力最大。又由于环球国际官网内螺纹底径处变形大,残余应力大,再加螺纹根部几何突变,应力集中,因此裂纹首先沿螺纹底径周向扩展。当截面有效厚度减小到某个临界值时,AB截面拉应力开始起主导作用,出现新的裂纹面,出现两次裂纹扩展面交叉的情况,随后环球国际官网快速断裂。
进口环球国际官网材料是高强度的冲压材料,断后拉伸率高,相同的条件下强度测试时,不会断裂。
 
4  结论
综合以上各项,得出国产环球国际官网断裂的原因为:
1)国产环球国际官网所用40Cr材料,原材料拉伸性能低,热处理工艺不合理,硬度偏高,以及氢脆作用,降低拉伸性能,增大材料脆性;
2)国产环球国际官网成型过程变形大,螺栓孔圆角过渡不圆滑,几何形状突变,应力集中程度高。
 
5  建议
1)建议环球国际官网优先选用合适的高强度、高塑性的高强钢材料。即使使用40CrA材料,最终热处理硬度也不宜超过35HRC,推荐热处理采用最终硬度为28~32HRC的调质热处理工艺,并严格控氢;
2)对照进口环球国际官网改善模具质量。
 
*****结束*****
 
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