10.9级车桥固定螺栓断裂分析

车桥作为汽车的重要部件，传递着车架与路面之间各个方向的作用力，直接影响汽车行驶的安全性和可靠性。

而车桥上的紧固螺栓是车桥的关键零件，汽车主机厂通常要求其供应商提供的紧固件产品零缺陷。

某型号乘用车车桥在安装完成后约48 h，发现一枚紧固螺栓断裂，应厂方要求笔者对螺栓断裂原因进行分析。

01理化检验

1．1 断口分析

该螺栓材质为 ML35CrMo，规格为 M10 × 1.25 × 128，性能等级 10．9 级，安装扭矩为( 80±10) N·m，表面电镀黄锌，电镀后经 200 ℃，4 h 的驱氢处理。

送检螺栓断裂试样如图 1 所示。从图 1 可见螺栓断面与轴向垂直，断口附近无明显宏观塑性变形 及夹杂物，起裂处位于螺纹根部。

图 1 断裂螺栓宏观形貌

断裂试样的断面扫描电镜照片如图 2 所示。从图 2 可见断面有放射性条纹收敛于图中标记的 A，B 处; 右侧边缘有 2 个月牙形断面，宽度为 1 mm 左右，图 2 中标记为 C，D 处。

图2 断裂试样的断面扫描电镜照片

图3、图4为图2 中断面 A 区及 B 区的微观形貌，为沿晶、解理混合断口，晶面有少量鸡爪痕。

图5、图6 为图2 中断面 C 区及 D 区微观形貌，为沿晶、准解理混合断口，有晶界二次裂纹。

图7为图2中断面E 区微观形貌，呈等轴韧窝状。图8为图2中断面F区微观形貌，呈剪切韧窝状。

图3断面A区微观形貌 图4断面B区微观形貌 图5断面C区微观形貌

图6断面D区微观形貌 图7断面E区微观形貌 图8断面F区微观形貌

1．2 硬度检测

对断裂螺栓试样进行表面硬度梯度及心部硬度检测，结果见表1。

表1 螺栓硬度检测结果

从表1看出断裂螺栓的表面硬度略高于完好螺栓，但均在 GB /T 3098.1—2010规定的范围内。

1．3 金相检测

图9、图10 分别为送检断裂螺栓与完好螺栓的金相组织，均为回火索氏体。

图9断裂螺栓金相组织 图10完好螺栓金相组织

1．4 氢含量检测

螺栓的氢含量测试结果见表2。由表2 可知，螺栓内部均含有一定量的氢，这是由于电镀过程渗入材料内部的氢在随后的驱氢工艺中并没有完全逸出。

表面镀层对氢扩散有一定的阻碍作用，镀层越厚，氢逸出的难度就越大，厂家采用加热到 200 ℃，保温 4 h 的驱氢工艺，效果并不理想，仍有质量分数为 4.35 × 10 － 6 的氢残留。

GB /T 5267．1—2002《紧固件电镀层》中指出，为降低氢脆隐患，建议驱氢时间增加至 8 h。

表2 螺栓氢含量检测

1．5 螺栓成分分析

采用直读光谱法对螺栓进行化学成分分析，结果见表3，其化学成分符合 ML35CrMo 钢的要求。

表3 螺栓化学成分

1．6 摩擦因数试验

紧固件的可靠性不仅受本身质量影响，而且与其装配工艺也密切相关。采用多通道螺纹紧固轴力－扭矩分析仪对安装厂家及螺栓生产厂家送检的同批次完好螺栓进行模拟安装及摩擦因数分析。

结果显示，当扭矩为 80 N·m 时，安装厂家送检的螺栓轴向预紧力已达到 53．4 kN，而生产厂家送检的螺栓轴向预紧力为 31． 1 kN，由此得出摩擦因数见表 4。

同规格、型号的螺栓，同样的材质及表面处理方式，其摩擦因数相差如此之大，特别是螺纹部位的摩擦因数相差一倍多，其原因可能是该批螺栓在长期保存、运输或装配过程中受到油污污染。

表4 螺栓摩擦因数测试结果

02综合分析

从图 2 看出，螺栓断口附近虽无塑性变形，但微观形貌显示断裂面韧窝区域约占整个断面面积的80% 左右，说明螺栓断裂时承受较大的轴向应力。

从摩擦因数测试结果可知，安装厂家送检的完好螺栓总摩擦因数为 0.11，螺纹部位摩擦因数仅为0.07，明显小于生产厂家送检螺栓的 0． 20。

当采用扭矩控制安装时，较小的摩擦因数将导致螺栓承受较大的轴向预紧力，从预紧力－扭矩试验结果可知，当安装扭矩为 80 N·m 时，安装厂家送检的螺栓预紧力达到 53.4 kN，已高于标准规定该等级规格螺栓的保证载荷试验应力 50.8 kN，并接近螺栓的屈服强度 57.5 kN，当安装扭矩存在误差的情况下，螺栓很可能被超拧。

另一方面，该螺栓电镀后虽然经过驱氢处理，但不能完全排除氢残留风险，螺栓硬度越高，轴向预紧力就越大，发生氢脆的概率也就越高。

GB /T 5267． 1—2002 中明确提到，硬度大于 320 HV 的紧固件电镀时有氢脆风险，当硬度大于 365 HV 时一般不采用电镀处理，而断裂螺栓的表面硬度已达到365 HV。

氢含量测试结果表明，虽然断裂螺栓的氢质量分数在 5×10－6以下，但由于氢在材料内部分布不匀，易在螺纹根部的应力集中区域聚集。

加之该螺栓预紧力过大，两者相互作用便在螺纹根部产生氢致微裂纹，微裂纹的尖端是应力集中区，氢原子便持续向裂纹尖端扩散聚集，当裂纹扩展到一定程度后，螺栓由于承力面积减小而最终断裂。

03结论和建议