汽車螺栓裝配時(shí)多次開裂又是什么情況?
螺紋聯(lián)接是汽車制造技術(shù)中最基礎(chǔ)、標(biāo)準(zhǔn)程度最高的機(jī)械零件，同時(shí)也是汽車行業(yè)運(yùn)用最廣泛的聯(lián)接工藝，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，聯(lián)接可靠，在整車裝配過(guò)程中具有高精度、裝配方便、零件拆裝便利、重復(fù)使用性好等優(yōu)點(diǎn)。零件采用螺栓聯(lián)接，就是依靠“擰緊”所施加扭矩來(lái)實(shí)現(xiàn)兩個(gè)被聯(lián)接體緊密貼合并具備足夠的軸向預(yù)緊力（即軸向拉應(yīng)力），以確保被聯(lián)接零件的可靠聯(lián)接和正常工作。在裝配時(shí)，夾緊力必須足夠大，以保證被連接零部件在工作過(guò)程中不發(fā)生相對(duì)移動(dòng)；另外，所施加的夾緊力必須保證螺栓和被聯(lián)接零部件在裝配和服役過(guò)程中不會(huì)發(fā)生破壞或塑性變形。目前，在汽車裝配生產(chǎn)過(guò)程中，可將扭矩作為中間量來(lái)評(píng)價(jià)螺栓聯(lián)接的裝配質(zhì)量，比如扭矩控制法通過(guò)控制螺栓的最終扭矩來(lái)獲得螺栓所需要的軸向預(yù)緊力，當(dāng)擰緊扭矩達(dá)到設(shè)定的目標(biāo)扭矩時(shí)立即停止擰緊，從而結(jié)束扭矩控制。在發(fā)動(dòng)機(jī)裝配工藝過(guò)程中，螺栓聯(lián)接已經(jīng)成為最常用的緊固和聯(lián)接方式，而擰緊工藝過(guò)程是其中的重要環(huán)節(jié)，通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)對(duì)擰緊過(guò)程監(jiān)控策略，進(jìn)行有效的系統(tǒng)性預(yù)防，降低擰緊過(guò)程的質(zhì)量風(fēng)險(xiǎn)，從而提高裝配工作效率。汽車螺栓的失效案例頻發(fā)，失效原因多樣，例如在使用過(guò)程中因螺栓松動(dòng)而發(fā)生多源疲勞斷裂；因加工過(guò)程產(chǎn)生的微裂紋導(dǎo)致氫致延遲斷裂；表面增碳導(dǎo)致延遲開裂；淬火裂紋在裝配時(shí)擴(kuò)展而斷裂。某供應(yīng)商生產(chǎn)的一批用于固定發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴的圓柱頭內(nèi)六角螺栓在裝配時(shí)多次發(fā)生開裂。本文利用金屬材料學(xué)的基本原理來(lái)研究分析螺栓斷裂的根本原因，防止失效問(wèn)題再次發(fā)生。某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)噴油嘴使用46S20鋼制圓柱頭內(nèi)六角螺栓進(jìn)行裝配固定，裝配工人使用正確的扭矩進(jìn)行作業(yè)時(shí)，某批次螺栓多次發(fā)生貫穿式的縱向開裂，螺栓的圓柱頭與螺紋段均從外向里斷裂至中心孔，如圖1所示。事后調(diào)查，電子程序監(jiān)控結(jié)果顯示使用的扭矩符合要求，根據(jù)追溯性文件發(fā)現(xiàn)斷裂的螺栓全部來(lái)自某供應(yīng)商生產(chǎn)的同一批次。
（a） （b）
圖1 螺栓斷裂形貌特征
使用Spectro MaXx型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析；從中心孔將一個(gè)螺栓切開，斷裂面自然打開，使用Keyence VHX-1000型超景深三維光學(xué)顯微鏡觀察斷口形貌特征；在另一個(gè)螺栓圓柱頭位置切取橫截面的金相試樣，磨拋處理后經(jīng)4%硝酸酒精腐蝕，使用Zeiss Axio Imager M2m型顯微鏡進(jìn)行觀察分析。
對(duì)斷裂的噴油嘴螺栓進(jìn)行取樣，經(jīng)直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，顯示螺栓的化學(xué)成分均符合易切削鋼46S20的規(guī)范要求（EN 10277-3：2008）。46S20屬硫系易切削鋼牌號(hào)，適用于制造對(duì)力學(xué)性能要求不高的各種零件，如螺栓、螺母等。
表1 螺栓的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
從隨機(jī)挑選的斷裂螺栓中心孔將其切開，斷裂面自然打開，如圖2所示。圓柱頭圓周面向內(nèi)很大深度范圍內(nèi)（藍(lán)色雙箭頭所示）斷裂面較為平整，表面呈現(xiàn)出明暗相間的花紋，藍(lán)色方框放大后發(fā)現(xiàn)其具有高溫氧化的跡象（見(jiàn)圖3）；新鮮斷裂面如圖2黃色雙箭頭區(qū)域所示，該段屬于裝配工序產(chǎn)生的裂紋，線性起源于高溫氧化區(qū)域的末端，向中心孔的方向擴(kuò)展。斷裂面具有明顯的宏觀臺(tái)階狀特征，無(wú)塑性變形。
圖2 斷口的體視學(xué)形貌
圖3 斷裂面上的高溫氧化特征
沿另一個(gè)隨機(jī)挑選的斷裂螺栓圓柱頭部制取橫截面金相試樣，金相觀察發(fā)現(xiàn)，從外緣向內(nèi)至約1/2壁厚處，裂縫走向較為平滑，然后轉(zhuǎn)為曲折（見(jiàn)圖4）。低倍下觀察，平滑段裂縫兩側(cè)具有泛白的特征。高倍下觀察，平滑段裂縫附近具有明顯的高溫脫碳特征，脫碳層深度可達(dá)0.15mm，如圖5所示；而正常區(qū)域組織為珠光體加鐵素體，晶粒細(xì)小，如圖6所示。
圖4 橫截面試樣的組織特征
圖5 裂縫附近高溫脫碳特征
圖6 正常區(qū)域的金相組織
結(jié)合金相組織與體視學(xué)形貌的觀察結(jié)果，可判定外圓周面向內(nèi)平滑段裂縫其實(shí)并非真正的裂紋，而是符合熱鍛成形工藝中產(chǎn)生的高溫折疊特征，并伴有一定深度的氧化與脫碳現(xiàn)象。對(duì)同批次未經(jīng)使用的新螺栓進(jìn)行抽檢，螺栓圓柱頭部也發(fā)現(xiàn)了折疊缺陷，如圖7所示。試樣經(jīng)侵蝕后發(fā)現(xiàn)，折疊附近的微觀組織結(jié)構(gòu)具有與折疊大致平行的加工流線特性，具有明顯的高溫脫碳特征，且存有一處較大的氧化物夾渣，如圖8所示。
圖7 新螺栓橫截面試樣的折疊缺陷（拋光態(tài)）
圖8 新螺栓橫截面試樣的折疊缺陷（侵蝕態(tài)）
經(jīng)上述分析，可斷定螺栓在正確裝配過(guò)程中發(fā)生斷裂與螺栓圓柱頭部外表面的折疊缺陷有關(guān)。折疊的深度較大，甚至超過(guò)1/2壁厚，這顯著降低了螺栓可承載應(yīng)力的有效截面積，而且易引起應(yīng)力集中。在裝配扭矩扳手的扭轉(zhuǎn)作用下，折疊前端形成較強(qiáng)的拉應(yīng)力，萌生線性裂紋源，并迅速向中心孔方向擴(kuò)展，導(dǎo)致低應(yīng)力脆斷。本文對(duì)裝配中斷裂的汽車噴油嘴螺栓油管做了斷口觀察、光譜分析、金相檢驗(yàn)等試驗(yàn)，探究了螺栓斷裂的產(chǎn)生原因，主要結(jié)論如下。（1）螺栓的化學(xué)成分及金相組織均符合規(guī)范要求。（2）螺栓圓柱頭部外表面存在較深的熱加工折疊缺陷，是導(dǎo)致螺栓異常斷裂的根本原因。（3）螺栓制造商需合理優(yōu)化熱成形工藝，避免類似折疊缺陷的產(chǎn)生，同時(shí)加強(qiáng)質(zhì)量檢驗(yàn)，杜絕問(wèn)題件出廠。
作者：孔德群、周建、楊利
單位：北京奔馳汽車有限公司，材料實(shí)驗(yàn)室
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜
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