#荧光光谱仪#汽车后桥稳定杆螺断裂失效分析
40Cr钢稳定杆螺栓 ， 在汽车后桥上起到支撑稳定杆的作用 ， 并以锁紧螺母将稳定杆固定 。 稳定杆螺栓的加工工艺流程为：锯床下料→热加工锻造→调质处理→杆部搓丝→镀锌处理 。 在服役过程中 ， 稳定杆螺栓在锁紧螺母的作用下 ， 产生一个拉伸的纵向应力 。 随着工件的服役承载 ， 稳定杆产生较强的牵引 ， 螺栓受到向右的侧向拉应力 。 整车试行过程中 ， 螺栓的杆部发生早期失效断裂 。 该螺栓的使用周期极短 ， 持续时间不足24h 。 断裂部位位于图示的A处 ， 与杆部纵向近似垂直的横向断裂（见图1） 。
1.宏观检测
目测断口的左侧一半以上面积的区域色泽较浅 ， 右侧部位的色泽较深 。 断口宏观检测 ， 图示左侧为同心圆的多条圆弧推进线 ， 这是疲劳扩展的断口特征形貌 ， 同心圆的圆心为疲劳源 。 断口的右侧呈放射状快速断裂特征 ， 右侧边缘的倾斜部位为终断区剪切唇（见图2） 。
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图1螺栓断裂部位（实物）
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图2螺栓失效断口（实物）
3.化学分析
断裂失效件截取样块进行化学成分检测 ， 见表1 。
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4.力学性能
库存产品抽取3件进行力学性能试验检测 ， 见表2 。
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5.金相检验
用扫描电镜对断口进行检查 ， 在裂纹源附近可见大量放射状条纹 。 放射状条纹的收敛处 ， 明显指出裂纹源位于稳定杆螺栓的表面 。 工件的表面有许多断续分布的大小不一的凹槽及剥落坑 ， 在裂纹源左侧有两块较大的并排分布的剥落坑 ， 剥落坑的下面可见多源台阶条纹 ， 这种多源台阶条纹属于应力集中的典型特征 。 在放射状条纹的突起处 ， 明显分布数量众多的颗粒状产物 ， 这种细小的颗粒状产物 ， 经检测确认为A类非金属夹杂物 ， 属于典型的硫化物夹杂 。 （见图3） 。 心部调质区域的断口检查 ， 扫描电镜观察结果显示为韧性断裂 ， 图片显示以韧窝及撕裂棱的特征形貌为主 。 在韧窝的底部同样存在颗粒状及条状硫化物夹杂（见图4） 。
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图3裂纹源断口形貌
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图4心部断口形貌
在试样的表层存在一条细微的倾斜裂纹 ， 裂纹两侧有较严重的脱碳层 。 裂纹间隙内明显可见凸出的圆弧状晶粒自由表面 ， 裂纹内为断续分布的孔洞 ， 这是组织疏松和气泡的特征形态 。 综合以上组织特征可以断定 ， 该裂纹为原材料表层皮下气泡引起的折叠裂纹（见图5） 。 折叠裂纹的表层附近 ， 有一条与工件表面垂直的微裂纹 ， 裂纹扩展呈周期往复的曲折状穿晶形态 ， 这种形式的穿晶微裂纹 ， 属于疲劳扩展的特征形貌（见图6） 。
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图5折叠裂纹全貌（40×）
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图6折叠裂纹开口（400×）
样块左侧的表层相距不足10mm长度范围内 ， 断续分布数十条表面微裂纹 ， 裂纹沿表层圆弧状凹坑底部开裂 。 根据金相组织检查初步推断 ， 表层的凹坑是工件表面镀锌过程中 ， 酸洗时间过长留下的腐蚀坑 。 表面微裂纹的深度在0.10～0.20mm 。 表层密集分布的黑色点状组织是表面镀锌层 ， 白亮色块状组织为脱碳层中的铁素体组织 。 经测量镀锌层为0.04mm ， 脱碳层为0.10mm ， 其中全脱碳层为0.04mm ， 半脱碳层为0.06mm（见图7） 。 样块右侧的表层灰黑色镀锌层更加明显 。 右侧的脱碳层深度与左侧的脱碳层相近 ， 心部组织仍然是保持马氏体位向的索氏体组织（见图8） 。
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图7左侧表层组织（400×）
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图8右侧表层组织（400×）
断口开裂初期呈平直的穿晶状态 ， 这种穿晶形态属于疲劳扩展的特征形貌 。 表层及次表层组织为调质状态的马氏体位向索氏体 ， 马氏体位向的组织较为粗大（见图9） 。 裂纹扩展后期 ， 断口呈凹凸不平的沿晶断裂特征 。 沿粗大断口的凸出晶粒表面 ， 断续分布大小不等的圆弧凹坑 ， 这是典型的沿晶韧窝断口形貌 ， 属于过热特征组织 。 断口附近有非金属夹杂物熔融的孔洞 ， 表明原始轧制或锻造温度过高 ， 硫化物夹杂已经熔化为孔洞 ， 显著降低了材料强度 ， 增加材料脆性（见图10） 。
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图9裂纹穿晶组织（400×）
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图10裂纹沿晶组织（400×）
在样块的右侧裂纹扩展终断区 ， 晶粒呈脱落状态 ， 晶粒间硫化物夹杂熔融的晶间熔洞组织更为明显 。 由于晶间熔洞的形成 ， 晶间结合力显著降低 ， 材料组织脆性增大 ， 终断区断口受挤压产生沿晶脆断（见图11） 。 裂纹终断区的表层处纤维状组织较为严重 ， 脱碳层区域铁素体已经被拉成长条状 。 外表层的纤维组织是断口延伸的塑性变形层 ， 图示上部更加严重的纤维组织是断口挤压的变形层 。 近表层附近的脱碳层的存在 ， 强度急剧降低 ， 韧性显著增加 ， 断口撞击挤压处显示出塑性变形的特征 。 #荧光光谱仪#汽车后桥稳定杆螺断裂失效分析
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图11脆性断口组织（400×）
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图12挤压变形组织（400×）
6.结论分析
稳定杆螺栓断裂 ， 是由于外表层受到螺母拧紧的纵向拉伸应力 ， 以及稳定杆向右侧牵引的侧向应力 ， 于是在工件的右侧增加了双向的拉应力 。 表面疲劳裂纹形成于拉应力处 ， 产生在强度最低的缺陷部位 ， 工件的表面脱碳层显著降低材料的表面强度 。 在服役承载的交变应力作用下 ， 由较深的腐蚀坑底部引发了应力集中产生疲劳裂纹源 。 疲劳裂纹沿同心圆的弧形推进线向前延伸 ， 向稳定杆螺栓杆部中心部位扩展 。 当应力增大到峰值时 ， 便在断口中心部位形成多源台阶的应力集中开裂 ， 并呈放射状条纹迅速扩展至断裂 。 轧制或锻造的过热组织晶粒粗大 ， 晶间结合力显著降低 。 非金属夹杂物熔融的晶间熔洞组织 ， 进一步降低材料强度 ， 增加材料脆性 ， 最终导致工件在极短的时间内 ， 由疲劳扩展至沿晶脆性断裂 。
皮下气泡形成的折叠裂纹也会产生疲劳扩展的裂纹源 ， 较深的裂纹造成很高的应力集中 ， 甚至可以使裂纹迅速扩展至断裂 。 只是由于皮下气泡折叠裂纹未处于拉应力最强的部位 ， 裂纹没有继续扩展的推动力 。 如果该裂纹位于拉应力中心 ， 失效断裂的时间将会更短 。 #荧光光谱仪#汽车后桥稳定杆螺断裂失效分析
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