優(yōu)爾鴻信檢測 差速器螺栓失效分析

    01 測試背景

    客戶螺栓安裝于變速器箱內(nèi)差速器總成上,扭矩扳手每天班前進行校準。在太原及長沙整車下線路試時發(fā)生多起螺栓斷裂失效,斷裂位置基本位于螺牙與光桿過渡區(qū)域,如圖1及表1所示,失效比例約為0.014%。
    客戶將斷裂試樣委托實驗室進行分析,確認造成螺栓斷裂的真正原因。

    失效分析-2 

    1 斷裂試樣及正常樣品圖

    1 斷裂試樣信息

    失效分析1 

    02 樣品信息描述

    客戶螺栓安裝于變速器箱內(nèi)差速器總成上,單個差速器裝配12pcs螺栓,裝配扭矩145±10N·M,實際設定為145N·M。螺栓規(guī)格:12.9級,M12×26,材質SCM435,硬度39~44HRC。制程:冷鐓→搓絲→熱處理→表面磷化處理。

    03 測試項目規(guī)范及設備信息

                                                                                         失效分析-4

     

    04 測試結果

     4.1|斷口表面觀察結果

    對斷口形貌進行觀察,結果如圖2所示:斷裂1試樣斷口平齊,有明顯的放射線與撕裂棱存在,A為放射線的起源位置,應為裂紋源位置。

    失效分析-5 

    2 斷口形貌圖

    4.2|斷口SEM+EDS分析

    對斷裂螺栓斷口進行SEM+EDS分析,結果如圖3~4及表2所示:1、斷裂螺栓試樣的裂紋源位置上均存在明顯的摩擦痕跡,成分中都含有不同量的P、Zn,這是表面磷化處理的特征元素,很有可能是螺栓磷化前存在微小裂紋;
    2、斷裂螺栓的擴展區(qū)呈現(xiàn)為典型的延晶斷裂特征,同時存在著雞爪紋與孔洞,這是氫脆特征;
    3、斷裂螺栓的瞬斷區(qū)呈現(xiàn)為準解理特征;4、斷裂螺栓為脆性斷裂失效模式,有氫脆特征。

    失效分析-6

    3 試樣表面各區(qū)微觀斷口形貌

    失效分析-7 

    4 EDS分析位置

            2 EDS分析結果(%)

                                                                               失效分析-8 

    4.3|試樣切面分析

    對斷裂螺栓及正常位置切面形貌觀察,結果如圖5所示:1、斷裂試樣斷口附近螺牙未發(fā)現(xiàn)有裂紋,斷口附近基材內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)有缺陷;2、正常試樣螺牙及桿部也未發(fā)現(xiàn)有裂紋,螺栓質量良好。

    失效分析-95 切面形貌圖

    4.4|試樣金相組織分析

    對起泡位置與正常位置金相組織進行分析,結果如圖6所示:芯部及牙部組織均為回火屈氏體+少量鐵素體,牙部表層未發(fā)現(xiàn)有脫碳層。

    失效分析-10 

                                                                                                              失效分析-11 

    6 試樣金相組織(500×)

    4.5|試樣硬度

    對斷裂螺栓斷口及正常試樣牙部及芯部硬度進行測試,結果如表3所示:斷裂及正常試樣芯部硬度~430HV0.3,符合12.9級螺栓對材質硬度要求,斷裂試樣牙部硬度較芯部高,~480HV0.3,超出規(guī)格要求。

    3 維氏硬度測試結果

    失效分析-12 

    4.6|試樣化學成分

    對斷裂螺栓的化學成分進行測試,結果如表4所示:試樣材質化學成分均符合SCM435規(guī)格。

    4 化學成分測試結果(%)

    失效分析-13 

    05 結果分析討論

    通過對斷裂及正常螺栓進行分析,可以發(fā)現(xiàn):螺栓成分符合SCM435規(guī)格要求,正常螺桿及斷裂螺牙結構完整,未發(fā)現(xiàn)有裂紋等缺陷,芯部及牙部組織均為回火曲氏體+少量鐵素體,牙部表面未發(fā)現(xiàn)脫碳現(xiàn)象,但斷裂螺栓可以發(fā)現(xiàn)一些特征:1、裂紋源上存在摩擦痕跡及成分中存在P、Zn元素(磷化特征元素),應是由于磷化處理工藝前螺栓上存在有微裂紋;2、斷口上的雞爪紋及孔洞顯示了螺栓的氫脆特征;3、芯部硬度符合12.9級螺栓硬度要求,但斷裂螺牙硬度較芯部高,超出了螺栓硬度規(guī)定,這無疑增加了螺栓的脆性。螺栓經(jīng)過表面磷化處理,都有一定的氫脆傾向,本案中螺栓斷裂失效比較小,同時斷裂時間也不同,因素2應該不是造成斷裂的主因,因素1及3應是導致螺栓脆性斷裂的主因。

    06 結論與建議

    螺栓上的微裂紋及螺牙硬度超規(guī)格應為螺栓脆性斷裂的主因;建議:1、注意螺栓加工工藝,防止出現(xiàn)表面微裂紋缺陷;2、磷化處理后要做好除氫工藝。

     


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