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【失效分析】差速器螺栓失效分析

02月,22,2024 | 浏览次数：10336

差速器螺栓失效分析

01.测试背景

客户螺栓安装于变速器箱内差速器总成上，扭矩扳手每天班前进行校准。在太原及长沙整车下线路试时发生多起螺栓断裂失效，断裂位置基本位于螺牙与光杆过渡区域，如图1及表1所示，失效比例约为0.014%。
客户将断裂试样委托实验室进行分析，确认造成螺栓断裂的真正原因。
图1-断裂试样及正常样品图

图1-断裂试样及正常样品图

试样 1-断裂
断裂时间 2022/3/9
断裂地点 长沙-3976KM

表1-断裂试样信息
02.样品信息描述
客户螺栓安装于变速器箱内差速器总成上，单个差速器装配12pcs螺栓，装配扭矩145±10N·M，实际设定为145N·M。
螺栓规格：12.9级，M12×26，材质SCM435，硬度39~44HRC。
制程：冷镦→搓丝→热处理→表面磷化处理。

03.测试项目规范及设备信息

测试项目 测试规范 设备名称 实验条件
SEM 形貌观察 GB/T 16594-2008

SEM（HITACHI）&

EDS（HORIBA）

加速电压：15KV
EDS 成分分析 GB/T 17359-2012
表面观察 WI-032-048 立体显微镜 /
金相组织 GB/T 13298-2015 金相显微镜
材质维氏硬度 GB/T 4340.1-2009 维氏硬度计
常用化学成分 GB/T 4336-2016 火花原子放射光谱仪

04.测试结果
4.1|断口表面观察结果
对断口形貌进行观察，结果如图2所示：
断裂1试样断口平齐，有明显的放射线与撕裂棱存在，A为放射线的起源位置，应为裂纹源位置。
图2-断口形貌图
图2-断口形貌图
4.2|断口SEM+EDS分析
对断裂螺栓断口进行SEM+EDS分析，结果如图3~4及表2所示：
1、断裂螺栓试样的裂纹源位置上均存在明显的摩擦痕迹，成分中都含有不同量的P、Zn，这是表面磷化处理的特征元素，很有可能是螺栓磷化前存在微小裂纹；
2、断裂螺栓的扩展区呈现为典型的延晶断裂特征，同时存在着鸡爪纹与孔洞，这是氢脆特征；
3、断裂螺栓的瞬断区呈现为准解理特征；
4、断裂螺栓为脆性断裂失效模式，有氢脆特征。
图3-试样表面各区微观断口形貌
图3-试样表面各区微观断口形貌
图4-EDS分析位置

表2-EDS分析结果（%）

Spectrum
 C O P Cr Mn Fe Zn Total
裂纹源
 1 1.72 0.92 / 0.92 / 95.96 0.47 100
2 0.99 1.35 0.17 0.78 0.60 95.66 0.44 100
3 4.32 1.56 / 0.87 / 93.25 / 100
表面
 1 6.85 39.88 12.93 0.84 / 13.48 26.02 100
2 6.66 40.52 12.59 0.79 / 13.23 26.21 100

备注：成分数据为半定量分析结果，仅供参考，所给成分为质量百分比。


4.3|试样切面分析
对断裂螺栓及正常位置切面形貌观察，结果如图5所示：
1、断裂试样断口附近螺牙未发现有裂纹，断口附近基材内部未发现有缺陷；
2、正常试样螺牙及杆部也未发现有裂纹，螺栓质量良好。
图5-切面形貌图
图5-切面形貌图
4.4|试样金相组织分析
对起泡位置与正常位置金相组织进行分析，结果如图6所示：
芯部及牙部组织均为回火屈氏体+少量铁素体，牙部表层未发现有脱碳层。
图6-试样金相组织（500×）
4.5|试样硬度
对断裂螺栓断口及正常试样牙部及芯部硬度进行测试，结果如表3所示：
断裂及正常试样芯部硬度~430HV0.3，符合12.9级螺栓对材质硬度要求，断裂试样牙部硬度较芯部高，~480HV0.3，超出规格要求。

表3-维氏硬度测试结果

试样
 HV 0.3

12.9 级螺杆硬度

GB/T 0.98.1-2010

芯部 牙部
断裂 432 478

39-44 HRC

385-435 HV

正常 430 424

备注：测试结果为三点平均值。


4.6|试样化学成分
对断裂螺栓的化学成分进行测试，结果如表4所示：
试样材质化学成分均符合SCM435规格。

表4-化学成分测试结果（%）

Sample C Si Mn P S Cr Ni Mo Fe
1 0.364 0.204 0.64 0.025 0.005 0.96 0.010 0.187 余量

JIS G

4053:2008

SCM435

0.33-

0.38

0.15-

0.35

0.60-

0.90

0.030

max


0.030

max




0.25

max



≤0.09

0.15-

0.30


05.结果分析讨论

通过对断裂及正常螺栓进行分析，可以发现：

螺栓成分符合SCM435规格要求，正常螺杆及断裂螺牙结构完整，未发现有裂纹等缺陷，芯部及牙部组织均为回火曲氏体+少量铁素体，牙部表面未发现脱碳现象，但断裂螺栓可以发现一些特征：
1、裂纹源上存在摩擦痕迹及成分中存在P、Zn元素（磷化特征元素），应是由于磷化处理工艺前螺栓上存在有微裂纹；
2、断口上的鸡爪纹及孔洞显示了螺栓的氢脆特征；
3、芯部硬度符合12.9级螺栓硬度要求，但断裂螺牙硬度较芯部高，超出了螺栓硬度规定，这无疑增加了螺栓的脆性。
螺栓经过表面磷化处理，都有一定的氢脆倾向，本案中螺栓断裂失效比较小，同时断裂时间也不同，因素2应该不是造成断裂的主因，因素1及3应是导致螺栓脆性断裂的主因。
06.结论与建议
螺栓上的微裂纹及螺牙硬度超规格应为螺栓脆性断裂的主因；
建议：
1、注意螺栓加工工艺，防止出现表面微裂纹缺陷；

2、磷化处理后要做好除氢工艺。


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