差速器螺栓失效行為研究

本研究聚焦于車輛差速器螺栓的失效行為分析，通過(guò)化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織及斷口形貌等多維度檢測(cè)，揭示了差速器螺栓因表層脫碳造成硬度與疲勞強(qiáng)度下降，加之螺紋根部應(yīng)力集中，最終在交變載荷作用下發(fā)生疲勞斷裂的失效機(jī)理。

目的研究車輛差速器螺栓失效原因。方法在化學(xué)成分、非金屬夾雜物、力學(xué)性能、金相組織、斷口形貌等檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，研究車輛差速器螺栓的失效行為，推斷失效原因。結(jié)果差速器螺栓化學(xué)成分、氫含量、心部硬度及金相組織、材料抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度等均未見(jiàn)明顯異常，斷口有明顯的疲勞斷裂特征，螺紋表層存在脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為0.07 mm。

裂紋起始于螺紋根部，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象，螺紋表層及裂紋內(nèi)部均未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。結(jié)論由于表層脫碳使得差速器螺栓表層硬度及疲勞強(qiáng)度下降，而螺紋根部存在的應(yīng)力集中使早期裂紋在螺紋根部產(chǎn)生，并在交變載荷作用下進(jìn)一步擴(kuò)展，進(jìn)而最終造成疲勞斷裂。

差速器是車輛傳動(dòng)系統(tǒng)中使驅(qū)動(dòng)橋兩側(cè)車輪在行程不等時(shí)可以以相適應(yīng)的不同速度轉(zhuǎn)動(dòng)，進(jìn)而滿足車輛行駛運(yùn)動(dòng)學(xué)要求的重要零部件，其對(duì)車輛的轉(zhuǎn)向性、通過(guò)性和可靠性有著關(guān)鍵影響。差速器螺栓穿過(guò)差速器蓋、差速器殼，并與被動(dòng)齒輪連接，服役過(guò)程受交變載荷作用，存在斷裂風(fēng)險(xiǎn)。

文中差速器螺栓在服役過(guò)程當(dāng)中未達(dá)壽命即發(fā)生斷裂，為此，在化學(xué)成分、力學(xué)性能、金相組織、斷口形貌等檢測(cè)分析的基礎(chǔ)上，研究斷裂差速器螺栓的失效行為，并推斷失效原因。

一、試 驗(yàn)

1.1 試件

試件為失效的差速器螺栓，規(guī)格為 M8×25-8.8 級(jí)，材質(zhì)為35#鋼，調(diào)質(zhì)處理，在服役過(guò)程當(dāng)中未達(dá)壽命，發(fā)生斷裂。

1.2 試驗(yàn)過(guò)程

參照GB/T20123—2006，采用HCS-140高頻紅外碳硫分析儀檢測(cè)失效螺栓碳、硫元素含量。參照GB/T20125—2006，采用SPECTRO ARCOS電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀檢測(cè)失效螺栓硅、磷、錳元素含量。參照GB/T223.82—2007，采用 LECO- RHEN 602 定氫儀檢測(cè)失效螺栓氫元素含量。

參照GB/T230.1—2009，采用 HR-150DT 洛氏硬度計(jì)檢測(cè)失效螺栓心部洛氏硬度。參照 GB/T 228.1—2010，采用 CSS44100 電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)檢測(cè)熱處理隨爐試樣抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度。采用 XJP-6A光學(xué)顯微鏡檢測(cè)失效螺栓金相組織，并參照 GB/T10561—2005對(duì)失效螺栓的非金屬夾雜物進(jìn)行評(píng)級(jí)。

采用 QUANTA 200 掃描電鏡檢測(cè)失效螺栓斷口形貌。采用HSR-2M 型摩擦磨損試驗(yàn)機(jī)對(duì)熱處理隨爐試樣表層及心部進(jìn)行室溫摩擦磨損試驗(yàn)，載荷為100N，往復(fù)摩擦長(zhǎng)度為5mm，運(yùn)行速度300次/min，時(shí)間為30min。采用BS 210S型電子分析天平測(cè)量試驗(yàn)前后試樣質(zhì)量。

二、結(jié) 果

2.1 斷口宏觀形貌

失效螺栓斷口較為平齊、潔凈，斷口及周邊區(qū)域均無(wú)明顯的銹蝕痕跡。斷口無(wú)明顯的塑性變形，裂紋起始于螺紋根部。失效螺栓斷口宏觀形貌如圖 1 所示。

圖 1 失效螺栓斷口宏觀形貌

2.2 化學(xué)成分

失效螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表 1。

表 1 化學(xué)成分分析結(jié)果

可見(jiàn)，失效 螺栓的 C、Si、Mn、S、P 等主要化學(xué)元素含量均滿足技術(shù)要求。

2.3 非金屬夾雜物

失效螺栓非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定結(jié)果見(jiàn)表 2。

表 2 非金屬夾雜物等級(jí)評(píng)定結(jié)果

可見(jiàn)，失效螺栓的硫化物、硅酸鹽、氧化鋁、球狀氧化物、單顆粒球狀?yuàn)A雜等均滿足技術(shù)要求。

2.4 氫含量

失效螺栓氫含量檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 3。

表 3 氫含量檢測(cè)結(jié)果 mg/L

可見(jiàn)，失效螺栓表層至心部氫含量一致，均滿足技術(shù)要求。

2.5 力學(xué)性能

失效螺栓硬度及強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表 4。

表 4 力學(xué)性能檢測(cè)結(jié)果

其中，在失效螺栓心部進(jìn)行洛氏硬度檢測(cè)，在熱處理隨爐材料樣件上進(jìn)行抗拉強(qiáng)度及屈服強(qiáng)度檢測(cè)?？梢?jiàn)，失效螺栓心部硬度及強(qiáng)度均滿足 8.8 級(jí)螺栓的技術(shù)要求。

2.6 金相組織

失效螺栓心部的金相組織如圖 2 所示。

圖 2 失效螺栓心部金相組織

可見(jiàn)，心部組織均勻，以回火索氏體為主，有少量的鐵素體，組織級(jí)別為二級(jí)。

失效螺栓表層的金相組織如圖 3 所示。

圖 3 失效螺栓表層金相組織

可見(jiàn)，螺紋側(cè)壁存在臺(tái)階，螺紋根部有徑向裂紋，裂紋開(kāi)口處和擴(kuò)展處寬度基本一致。螺紋表層存在脫碳現(xiàn)象，為半脫碳組織，脫碳層深度約為 0.07 mm，裂紋兩側(cè)無(wú)脫碳現(xiàn)象。螺紋表層及裂紋內(nèi)部均未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物。

2.7 斷口微觀形貌

失效螺栓的斷口微觀形貌如圖 4 所示。

圖 4 失效螺栓斷口微觀形貌

由圖 4a 可見(jiàn)，斷口平齊，裂紋起始于螺紋根部，呈放射狀向心部擴(kuò)展，斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷口面積的 90%以 上。由圖4b可見(jiàn)，裂紋源處存在臺(tái)階紋，為多點(diǎn)起裂的疲勞斷裂。微觀形貌上呈現(xiàn)撕裂和準(zhǔn)解理斷裂的特征，無(wú)非金屬夾雜、原始開(kāi)裂、折疊等初始缺點(diǎn)。由圖 4c 可見(jiàn)，擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)準(zhǔn)解理斷口特征，為典型的疲勞斷裂形貌。

2.8 室溫耐磨性能

室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果見(jiàn)表 5。試樣均取自熱處理隨爐材料樣件，其中，表層脫碳層深度約 0.07 mm，心部無(wú)脫碳層。

表5 室溫摩擦磨損試驗(yàn)結(jié)果

可見(jiàn)，脫碳后的表層較無(wú)脫碳的心部摩擦磨損后的質(zhì)量損失增加 46.8%，耐磨性能明顯下降。

三、分析與討論

失效螺栓化學(xué)成分未見(jiàn)異常，非金屬夾雜物等級(jí)滿足35#鋼技術(shù)要求，熱處理隨爐試樣抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度及失效螺栓心部硬度檢測(cè)結(jié)果表明其滿足 8.8 級(jí)螺栓的力學(xué)性能要求，心部組織為回火索氏體及少量的鐵素體，組織級(jí)別二級(jí)，屬正常的淬火后高溫回火組織。氫含量未見(jiàn)異常，斷口形貌未見(jiàn)氫脆跡象，可排除氫脆可能。

斷口疲勞裂紋擴(kuò)展區(qū)占斷口面積的90%以上，且疲勞紋細(xì)密平齊，顯示螺栓所受名義應(yīng)力不大，非過(guò)大應(yīng)力造成的瞬時(shí)或短時(shí)破壞，結(jié)合失效螺栓心部硬度及材料強(qiáng)度檢測(cè)結(jié)果，可推斷心部組織及性能可滿足實(shí)際工況需求。

失效螺栓螺紋側(cè)壁存在臺(tái)階，應(yīng)該為搓絲時(shí)形成，但因未見(jiàn)裂紋起始于搓絲臺(tái)階處，基本可排除搓 絲造成原始缺點(diǎn)進(jìn)而造成開(kāi)裂的可能性。失效螺栓螺紋根部存在多處徑向裂紋，裂紋開(kāi)口處和擴(kuò)展處寬度基本一致，非熱處理裂紋或瞬間開(kāi)裂裂紋，可確定為疲勞擴(kuò)展裂紋。

螺紋表層存在脫碳現(xiàn)象，脫碳層深度約為 0.07 mm，裂紋兩側(cè)則無(wú)脫碳現(xiàn)象，說(shuō)明脫碳層為早期形成。螺紋表層及裂紋內(nèi)部均未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物，基本可排除因脫碳造成耐蝕性下降，進(jìn)而在長(zhǎng)時(shí)間腐蝕及應(yīng)力作用下形成腐蝕疲勞斷裂的可能性。

綜合上述分析，結(jié)合斷口呈現(xiàn)多點(diǎn)起裂、裂紋源處存在臺(tái)階紋、表層因脫碳耐磨性能下降等特征，可推斷，螺紋根部存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。同時(shí)因螺紋根部表層脫碳層的存在，嚴(yán)重下降了表層硬度及抗疲勞強(qiáng)度，使早期裂紋在此區(qū)域產(chǎn)生，并在交變載荷作用下擴(kuò)展，進(jìn)而最終造成疲勞斷裂。

四、結(jié) 論

脫碳使失效螺栓表層硬度及疲勞強(qiáng)度下降、螺栓螺紋根部存在應(yīng)力集中兩因素共同作用，使裂紋首先在螺栓螺紋根部產(chǎn)生，并在交變載荷作用下擴(kuò)展，最終造成疲勞斷裂。

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