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发表于 2020-6-30 09:06:11 | 显示全部楼层 |阅读模式

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轿车车轮固定螺栓断裂原因及工艺探析

邹兵凤

(江西江铃底盘股份有限公司,江西 抚州 344000)

【中国汽车材料网】摘 要:轿车车轮是汽车轮毂和车桥连接的连接件,对于汽车行驶的安全性具有重要的保障作用。固定螺栓断裂是影响生产和经营的主要问题,容易导致汽车产品的报废、返工。因而控制类似的质量问题也是汽车企业工作的重点。文章也将围绕轿车车轮固定螺栓的断裂原因展开分析,针对性地探究工艺保障方案。
关键词:轿车车轮;固定螺栓断裂;原因;工艺

引言
汽车螺栓类零部件断裂失效问题是零部件故障中的主要组成部分,产生的危害程度也比较严重。本文围绕汽车车轮固定螺栓断裂的鉴定案例,以此为基础分析断裂失效的原因与特征规律,以便于在专业技术上进行改进。

1 车辆情况
某车辆为使用年限为5年的小型某品牌轿车,在检修的过程中发现前轮轮胎出现螺栓断裂情况,并与螺母同时掉落。后发现螺母在车辆行驶的过程中已经存在损坏情况,故检修工作的要点在于确定螺栓断裂的因素,究竟是因为人为因素断裂还是行车过程中自行断裂。螺栓材料为40Cr钢,在加工后进行淬火处理,硬度要求达到30HRC以上。

2 理化检验过程
2.1 螺栓断裂特征
螺栓断裂的基本情况为断面相对平整,断裂面与螺栓保持轴向垂直,螺栓断裂面的断口未见明显起伏与塑性变形情况。从裂纹源分析,并没有显著的裂纹扩散情况,基本保持为小范围扩展的疲劳断裂,换言之即使用周期过长产生的断裂。另外,观察断口形貌克制,断口右上角螺栓边缘颜色较深,且表面光滑,认定为疲劳源[1]。最终的预测结果为汽车在开动的过程中突然出现停止或剧烈的负荷变动产生断面。而最后的瞬时断裂还受到了一定程度的扭力作用。由于轮胎有数个螺栓的共同作用,此螺栓因断裂无法正常工作,依靠另外的螺栓虽然能够保持一定时间的使用,但同样有可能在行驶过程中出现断裂,从而脱落,在检修工作中也应该注意到这一点。
2.2 化学含量分析
化学含量分析可以从轮胎螺栓取样入手,使用直读光谱仪进行成分分析,最终结果也表明螺栓的化学成分符合要求。具体数值如下表1所示。
表1 螺栓化学成分(wt,%)

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2.3 金相组织分析
通过对断裂螺栓的切口部分试验样品的抛光与磨平后,对其金属分布情况进行金相组织分析。通过硝酸酒精溶液浸蚀后的结果为回火索氏体,硬度符合一般材料要求。
2.4 扫描结果
螺栓断口的微观形貌分析结果存在显著的条纹与纤维孔洞,瞬断区为韧窝断口状态,自由表面断面中心不对称。此时可以判断为转轴处于工作状态,螺纹处受到机械加工的影响,细小的裂纹在应力的作用下形成稳定的裂纹源,在拉力影响下最终形成裂纹扩展状态并断裂,并非因事故冲击产生的断裂故障[2]。
3 结果分析
从化学检验等一系列工作的结果来看,断裂螺栓的强度与硬度符合《紧固件机械性能》对于螺栓的相关标准要求。另外,螺栓断裂口的微观形貌表现为金属沿边界分离。产生这种情况的主要原因是因为弱化晶界导致,说明开裂区域已经处于强度降低的状态,发生脆化。一般情况下,蠕变、低温、淬火、应力腐蚀与氢脆是主要的影响因素[3]。
蠕变与低温状态的出现主要与环境有关,由于轿车车轮位置固定,螺栓所承受的环境温度相对稳定,不存在明显温度差异。
淬火方面,如果螺栓之前存在淬火产生的裂纹,那么在装配环节就可能出现断裂,因此淬火裂纹情况不符合。
应力腐蚀方面,在经过电子显微镜观察后,结果表明开裂区域并没有显著的腐蚀痕迹,说明断裂并不是因为应力腐蚀而产生。
氢脆主要发生与平缓应力作用下的突然延迟破断,零件产生突然失效的情况。一来说破断失效主要出现于零件检验合格后,因此其危险性更加显著。从断裂部位、断裂过程与硬度特征来说,螺栓硬度越高,其氢脆敏感度越高,符合氢脆特征。
从氢脆产生的原因来看,主要体现在两个方面。一是因为材料本身的性能问题。由于金属在冶炼的过程中,材料中的氢元素溶解度会因为温度的变化出现差异,此时温度如下降,那么氢的溶解度降低,加上凝固速度较快的因素,导致氢残留在金属材料之内,出现氢脆。此外,如果在氧化处理过程中清洗金属的锈蚀,金属与酸液之间的化学反应产生氢,除了部分以分子形式存在,还有部分氢会直接进入金属内部。
针对这一问题,为了防止今后的螺栓因氢脆现象出现断裂,可以采取一些应对措施。
(1)对于材料表面的去氢工作是首要任务。具体来看可以通过加热零件的方式将金属内部的氢去除,然后进行1-3h的保温工作处理。
(2)采用氧化性酸洗模式,减少氢脆现象的产生。
(3)达克罗处理。这是目前主要的技术方案,也是国际金属处理的关键技术之一。相比于传统工艺,这种技术的抗腐蚀能力显著,可以在高温环境下进行,且全过程闭路循环模式并不会对环境产生严重污染。其处理工艺的特点决定了它不会产生氢脆现象,非常适用于受力件的涂覆工作。另外,它与金属机体之间有良好的结合力,和其它附加涂层具有显著的粘着性,处理之后的零件便于喷涂与上色,甚至超过了磷化膜的性能[4]。相比而言,传统的镀锌工艺在100℃以上时就有可能出现质量问题而报废。最后,该技术的渗透性较好,可以直接进入工件内部形成涂层。但需要注意的问题在于其导电性能并不显著,如果是电气零件,则要考虑更换技术工艺,另外,还需要考虑其与镁、镍等材料的零部件之间产生的接触性腐蚀问题。总体来看,螺纹表层出现的应力集中裂纹源导致了脱碳、开裂等各个方面的问题,在后续的工艺加工中也需要控制好热处理技术,例如在淬火加热时需采用保护气,并清理表面的杂物,防止脱碳等现象的产生,保障机械零件的使用性能。

4 结语
氢脆断裂与疲劳断裂都和应力作用有关,尤其是疲劳断裂是因为螺栓零件长时间工作所导致的断裂现象,一般情况下在断裂前并没有明显的塑性变形症状,疲劳断裂损伤也是因长期的累计过程所导致。因此,疲劳抗力与时间有着密切的联系,同时与材料本身的性能,尺寸与表面质量有关。从本次研究的案例来看,轿车车轮固定螺栓的断裂情况非常普遍,氢脆断裂与低应力高周疲劳断裂为主要的故障类型。由于螺栓在装配和服役过程中受力非常复杂,所呈现的断口形貌也千变万化,在技术与故障分析方面的重点在于如何确定断口所受到的应力。在多数情况下断口的瞬断区判断较为简便,断裂源一般也在瞬断区域,符合这一原则。因此在未来工作中,针对故障问题需要做好调查与背景信息的收集,重点对失效零部件进行宏观观察与检测分析处理,包括本次研究采用的成分分析、金相分析、性能与断口分析等,然后针对材料性能来判断零件的工作状态与受力情况,为实际的故障检测工作提供技术支持。
今后的工作中,判断零部件的失效模式需要总结工作规律并进行综合判断,以分析鉴定的结果作为参考依据进行针对性的技术改进,在生产和使用中减少类似故障的产生,保障车辆行驶的安全性。

参考文献
[1] 张睿,庞远智.公交客车轮胎螺栓断裂飞轮事故原因分析[J].城市公共交通, 2012(5):35-36.
[2] 周华,金应荣,刘锦云.一种高强度汽车车轮螺栓的异常断裂[J].中国司法鉴定, 2010, V0(3):41-44.
[3] 李琨,柴之龙,刘柯军,等.车轮螺栓应力腐蚀开裂分析[J].汽车工艺与材料, 2014(10):52-55.
[4] 周宏伟,刘素芬,韩培德,等.汽车轮胎螺栓断裂原因分析[J].物理测试, 2015, 33(2):35-37.



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