梁成成，周夢麒，王斌

1.山西工程職業(yè)學(xué)院 山西太原 030009

2.河北瑞騰新能源汽車有限公司 河北石家莊 052360

3.山西省檢驗(yàn)檢測中心（山西省標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量技術(shù)研究院） 山西太原 030009

1 序言

汽車控制臂作為汽車懸架系統(tǒng)導(dǎo)向和傳力元件，不僅起著將車輪上的各種力傳遞給車身，控制車輪按特定軌跡運(yùn)動(dòng)的功能，同時(shí)它還起著保證底盤結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減緩行駛產(chǎn)生晃動(dòng)的作用，汽車控制臂螺栓聯(lián)接的可靠性關(guān)系著整車的安全和行駛穩(wěn)定性。關(guān)鍵部位的聯(lián)接螺栓作為重要的緊固件，一般要求不能失效，一旦失效將造成機(jī)器失靈，嚴(yán)重者甚至出現(xiàn)人員傷亡的嚴(yán)重后果[1]。國內(nèi)對8.8級以上高強(qiáng)度螺栓斷裂失效的研究主要以氫脆[2-4]、疲勞[5，6]和原材料自身缺陷[7]導(dǎo)致的斷裂為主，對螺栓安裝過程問題引起的螺栓斷裂報(bào)道較少[8]。

汽車控制臂與前副車架裝配，需要用六角法蘭面螺栓進(jìn)行緊固，螺栓裝配采用電動(dòng)定扭扳手進(jìn)行擰緊，裝配過程中發(fā)現(xiàn)1根螺栓發(fā)生斷裂。排查線邊及庫存螺栓，發(fā)現(xiàn)它們屬于同一批次，該批次是最新生產(chǎn)到貨的，共160根，螺栓尺寸檢驗(yàn)均符合要求。為避免該螺栓再次發(fā)生斷裂，基于理化檢驗(yàn)方法，對斷裂螺栓進(jìn)行失效分析，通過魚骨刺圖法排查和現(xiàn)場擰緊試驗(yàn)驗(yàn)證，最終確定了該螺栓斷裂的主要原因，并給出了改進(jìn)措施，為保證螺栓正常使用和車輛安全運(yùn)行提供了有力支持。

2 失效概況

汽車控制臂與前副車架處螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)如圖1所示，螺栓將車架與控制臂聯(lián)接緊固在一起。

圖1 控制臂與車架處螺栓聯(lián)接結(jié)構(gòu)

當(dāng)擰緊力矩達(dá)到174N·m時(shí)螺栓發(fā)生斷裂，斷裂后的六角法蘭面螺栓宏觀形貌如圖2所示，螺栓斷裂部位為靠近螺母支撐面的第一扣螺紋處。六角法蘭面螺栓材料牌號(hào)為ML40Cr，尺寸規(guī)格為M14mm×1.5mm×90mm，機(jī)械強(qiáng)度等級10.9級，螺栓表面采用達(dá)克羅（鋅鋁涂覆）處理，摩擦系數(shù)要求控制在0.09～0.15，安裝扭矩為（200±20）N·m，螺栓主要加工工藝為：原材料進(jìn)廠檢驗(yàn)→原材料改制→下料→冷鐓→熱處理→機(jī)加工（搓絲）→表面達(dá)克羅處理→終檢→包裝。螺栓表面缺陷應(yīng)符合GB/T 5779.3—2000《緊固件表面缺陷螺栓、螺釘和螺柱特殊要求》規(guī)定；螺栓螺紋的基本尺寸和公差等級應(yīng)分別符合GB/T 196—2003《普通螺紋 基本尺寸》和GB/T 197—2018《普通螺紋 公差》規(guī)定；螺栓螺紋的螺牙和螺距應(yīng)分別符合GB/T 192—2003《普通螺紋 基本牙型》和GB/T 193—2003《普通螺紋 直徑與螺距系列》相應(yīng)的規(guī)定；螺栓的強(qiáng)度等級、硬度范圍、化學(xué)成分等方面應(yīng)符合GB/T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》和GB/T 3077—2015《合金鋼結(jié)構(gòu)》中相應(yīng)的技術(shù)要求。

圖2 斷裂螺栓的外觀形貌

3 理化檢驗(yàn)

3.1 斷口分析

（1）宏觀斷口分析 斷口的宏觀分析法，是一種對斷裂件進(jìn)行直觀分析的簡便方法，對螺栓斷口進(jìn)行宏觀形貌分析，可以迅速而準(zhǔn)確地識(shí)別出螺栓斷裂類型、裂紋源位置，以及裂紋擴(kuò)展途徑和走向[9]。對斷裂螺栓進(jìn)行宏觀目測發(fā)現(xiàn)，斷裂起源于螺紋牙底區(qū)域，斷口附近螺栓直徑明顯變細(xì)，該區(qū)域螺紋大徑相差約0.83mm，出現(xiàn)明顯的塑性變形和頸縮現(xiàn)象，如圖3所示。螺栓斷口界面呈傾斜狀，界面與拉伸軸線呈約30°夾角，表面較粗糙，基本符合拉伸-扭轉(zhuǎn)韌性過載斷裂特征。

圖3 螺栓塑性變形區(qū)形貌

圖4所示為螺栓斷口正面宏觀形貌，整個(gè)斷口表面較粗糙，色澤較均勻，未見異常痕跡。斷面可以分為3個(gè)區(qū)域，其中Ⅰ區(qū)位于斷面邊緣，有一定高度的凸起，裂紋源在此區(qū)域萌生并向中心區(qū)域擴(kuò)展；Ⅱ區(qū)有明顯的擴(kuò)展棱線花樣，呈扇形狀，屬于放射區(qū)，裂紋經(jīng)該區(qū)域由緩慢擴(kuò)展向快速不穩(wěn)定擴(kuò)展轉(zhuǎn)化；Ⅲ區(qū)位于斷面缺口底部，此區(qū)域表面較粗糙，屬于最終瞬斷區(qū)。

圖4 螺栓斷口宏觀形貌

（2）微觀斷口分析 將斷口表面用超聲波清洗后放置到掃描電鏡下，用掃描電鏡對圖4螺栓斷口Ⅰ區(qū)進(jìn)行微觀形態(tài)掃描，未見明顯異常缺陷，其微觀形貌呈現(xiàn)韌窩狀花樣[10]，如圖5a所示。韌窩又稱作孔坑、微坑，是韌性斷裂主要的微觀特征，韌窩形貌的存在說明螺栓具有良好的韌性。觀察發(fā)現(xiàn)，韌窩的形狀近似等同于等軸韌窩，這說明斷面主要受力方向?yàn)檩S向拉應(yīng)力，這與宏觀觀察分析的結(jié)果基本吻合[11]。在掃描電鏡下再對該區(qū)域化學(xué)元素進(jìn)行能譜檢測，結(jié)果如圖5b所示。由圖5b可知，斷裂源區(qū)中只含有常見的Fe、C、Cr、Si等元素，未見Ca、Zn、Al等元素的氧化物，說明裂紋的萌生不是由夾雜物導(dǎo)致的。螺栓斷口Ⅱ區(qū)和Ⅲ區(qū)微觀形貌同樣也是韌窩狀，也沒有異常夾雜物存在。

圖5 螺栓裂紋源掃描電鏡分析

螺栓斷口微觀形貌的觀察分析，進(jìn)一步佐證了螺栓斷裂性質(zhì)為韌性過載斷裂。

3.2 斷裂螺栓加工制樣

切除斷裂螺栓螺紋部分，長端重新磨削滾絲，加工制成M14×1.5-6h螺紋，用于螺栓抗拉強(qiáng)度測試。在距螺紋末端約一個(gè)公稱直徑（1d）處取一橫截面制樣，檢測螺栓化學(xué)成分、硬度、金相組織及脫碳層，加工后的測試樣件如圖6所示。

圖6 加工后的測試樣件

3.3 化學(xué)成分分析

用德國OBLF-GS1000直讀光譜儀對測試試樣進(jìn)行化學(xué)成分檢測，結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

斷裂螺栓各元素含量均符合國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》對ML40Cr的規(guī)定，螺栓化學(xué)成分合格，特別是有害元素S和P的含量均優(yōu)于國家標(biāo)準(zhǔn)要求，在正常使用的情況下不會(huì)增加材料的脆性[12]。

3.4 金相組織檢驗(yàn)分析

將測試試樣進(jìn)行磨制、拋光和浸蝕處理，放置到德國萊卡DMIL金相顯微鏡下，按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》對失效螺栓金相組織形貌進(jìn)行檢測，結(jié)果如圖7所示，索氏體基體（鐵素體）上均勻分布著細(xì)小顆粒狀的碳化物，符合回火索氏體的組織特征。高硬度的碳化物與具有良好塑性的鐵素體構(gòu)成的復(fù)相組織，使得調(diào)質(zhì)后的螺栓具有了良好的韌性、塑性，以及較高的強(qiáng)度、硬度等綜合性能[13]。依據(jù)GB/T 13320—2007《鋼質(zhì)模鍛件 金相組織評級圖及評定方法》規(guī)定，參照原始組織評級圖對圖7所示顯微組織進(jìn)行評定，金相顯微組織為致密均勻的回火索氏體（回火索氏體+少量鐵素體），組織級別為2級，未見其他異常，符合技術(shù)要求。

圖7 螺栓顯微組織形貌（500×）

將化學(xué)試劑浸蝕后的試樣沿螺紋中心縱向剖開，進(jìn)行螺紋表面脫碳層和表面缺陷檢測，結(jié)果如圖8所示。經(jīng)測量可得，螺紋全脫碳層深度G=0mm，螺紋未脫碳層高度E=1.124mm，脫碳層滿足GB/T 3098.1—2010規(guī)定的M14×1.5mm規(guī)格，10.9級高強(qiáng)度螺栓G≤0.015mm，E≥2/3H1（0.866mm）的要求（H1為螺紋牙高）[14]，螺紋表面質(zhì)量狀況良好，未發(fā)現(xiàn)孔洞、裂紋、折疊、脫碳等表面缺陷。

圖8 螺栓表面顯微組織形貌（100×）

3.5 硬度測試

采用洛氏硬度計(jì)對制備試樣的表層和心部硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表2。螺栓表層洛氏硬度平均值為37.33HRC，螺栓心部洛氏硬度平均值為36.33HRC，均符合GB/T 3098.1—2010中對10.9級螺栓的技術(shù)要求。

表2 螺栓硬度測試結(jié)果 （HRC）

3.6 抗拉強(qiáng)度

將制備的試樣安裝到萬能試驗(yàn)機(jī)上，按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》規(guī)定進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，實(shí)測抗拉強(qiáng)度為1130MPa，再抽檢同批次2根螺栓進(jìn)行抗拉強(qiáng)度測試，實(shí)測抗拉強(qiáng)度分別為1140MPa、1160MPa，均符合GB/T 3098.1—2010對10.9螺栓規(guī)定的抗拉強(qiáng)度≥1040MPa的要求，螺栓抗拉強(qiáng)度合格。

3.7 表面涂層性能分析

隨機(jī)抽取同批次3根未使用過的螺栓分別進(jìn)行摩擦系數(shù)和涂層厚度檢測，利用德國Schatz多功能緊固件分析系統(tǒng)和日本日立CMI243涂層測厚儀，依據(jù)GB/T 16823.3—2010《緊固件 扭矩-夾緊力試驗(yàn)》和ISO 1463—2021《金屬和氧化物鍍層.覆蓋層厚度的測定.顯微鏡法》相關(guān)要求實(shí)施檢測，摩擦系數(shù)和涂層厚度檢測結(jié)果分別見表3和表4。

表3 螺栓摩擦系數(shù)測量值

表4 螺栓涂層厚度測量值 （μm）

由表3可以看出，每根螺栓的總摩擦系數(shù)μtot、螺紋摩擦系數(shù)μb、螺栓支撐面摩擦系數(shù)μth都在圖樣要求的0.09～0.15內(nèi)，且它們之間散差較小，一致性較好，摩擦系數(shù)合格。

由表4可以看出，每根螺栓的三點(diǎn)涂層平均厚度均在圖樣要求的6～20μm內(nèi)，涂層厚度合格。

4 分析與討論

通過理化檢驗(yàn)結(jié)果可以看出，該六角法蘭面螺栓化學(xué)成分、金相組織、硬度、抗拉強(qiáng)度、摩擦系數(shù)和涂層厚度等關(guān)鍵指標(biāo)均符合技術(shù)要求，表明斷裂螺栓的材料和熱處理工藝正常，螺栓的斷裂與其內(nèi)在質(zhì)量無直接因果關(guān)系。

通過斷裂螺栓的宏觀形貌和斷口微觀掃描可以看出，螺栓有塑性變形和頸縮現(xiàn)象，斷口微觀呈現(xiàn)韌窩狀形貌，瞬斷區(qū)表面粗糙，具有典型過載韌性斷裂特征，表明該螺栓在裝配過程中，由于承受載荷過大而造成螺栓斷裂[15]。

針對螺栓承受過大載荷問題，筆者運(yùn)用如圖9所示的魚骨刺圖法，從“人機(jī)料法環(huán)”5個(gè)方面進(jìn)行分析確認(rèn)，查找問題發(fā)生的根本原因。

圖9 魚骨刺圖

通過對控制臂與車架裝配工藝分析，列出了如圖9所示的引起螺栓載荷過大的5個(gè)可能原因，針對這些可能原因進(jìn)行逐一排查，見表5。

表5 可能原因排查

經(jīng)過核實(shí)發(fā)現(xiàn)，控制臂內(nèi)孔直徑為（14.5±0.1）mm，螺栓外徑為14mm，存在螺栓穿過控制臂內(nèi)孔困難的問題，為了方便安裝，裝配人員會(huì)在控制臂內(nèi)孔預(yù)先涂抹凡士林油膏進(jìn)行潤滑，而螺紋涂上凡士林后，會(huì)導(dǎo)致螺栓摩擦系數(shù)減小。在相同的裝配扭矩下，摩擦系數(shù)越小，產(chǎn)生的軸向力越大。通過對涂抹凡士林的螺栓進(jìn)行摩擦系數(shù)測試，發(fā)現(xiàn)螺紋摩擦系數(shù)μb最小可達(dá)到0.03，大大低于技術(shù)要求的0.09～0.15。

根據(jù)GB/T 16823.2—1997《螺紋緊固件緊固通則》進(jìn)行反算，為簡化公式，假設(shè)μth=μb，當(dāng)螺紋中徑和小徑均為最小值，即d2=12.886mm，d3=11.924mm，螺栓抗拉強(qiáng)度=1130MPa，D0=26.4mm，dh=15.5mm，扭矩系數(shù)K=0.108，屈服緊固軸力F=113.5kN，屈服緊固扭矩T=171.3N·m，根據(jù)以下緊固扭矩公式，可以反算出μth=μb=0.07。

通過上述數(shù)據(jù)可以看出，當(dāng)螺栓被174N·m扭矩?cái)Q斷時(shí)，理論上它的摩擦系數(shù)μb需要≤0.07。

現(xiàn)場采用同一定扭扳手，在相同擰緊扭矩值范圍內(nèi)對同一批次涂抹凡士林油膏的螺栓進(jìn)行實(shí)際裝配，發(fā)現(xiàn)連續(xù)5顆螺栓均發(fā)生過載斷裂，試驗(yàn)結(jié)果也驗(yàn)證了涂抹凡士林是導(dǎo)致螺栓斷裂的根本原因。

綜合分析可以推斷，涂抹上凡士林的螺栓，摩擦系數(shù)顯著變小，在螺栓正常裝配扭矩（200±20）N·m范圍內(nèi)，螺栓會(huì)出現(xiàn)過擰現(xiàn)象，此時(shí)螺栓受到的預(yù)緊拉應(yīng)力異常增大，使螺栓被拉長，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓原有的力學(xué)性能大幅降低，不能滿足被裝配件的使用要求，從而導(dǎo)致螺栓產(chǎn)生軸向拉伸斷裂。

從線邊隨機(jī)抽取4根同批次M14螺栓進(jìn)行現(xiàn)場擰緊試驗(yàn)驗(yàn)證，在不涂抹凡士林油膏的情況下，按照規(guī)定的（200±20）N·m扭矩值進(jìn)行裝配，結(jié)果4根螺栓均未出現(xiàn)斷裂和塑性變形問題，結(jié)論得到有效驗(yàn)證。

5 結(jié)論與建議

1）六角法蘭面螺栓的化學(xué)成分、金相組織、力學(xué)性能、摩擦系數(shù)和涂層厚度等均滿足相關(guān)技術(shù)要求。從螺栓斷口宏微觀分析，該螺栓為韌性過載斷裂。

2）通過魚骨刺圖法排查和現(xiàn)場螺栓擰緊試驗(yàn)驗(yàn)證，說明螺栓過載斷裂的主要原因?yàn)槁菟Σ料禂?shù)顯著減小，而螺栓摩擦系數(shù)變小的原因是螺栓在裝配過程中，螺紋表面異常接觸到了凡士林油脂。

3）嚴(yán)格控制螺紋緊固件裝配工藝，防止裝配過程中螺栓接觸到油脂、防銹油等潤滑劑而影響摩擦系數(shù)，保證裝配質(zhì)量。

4）在汽車生產(chǎn)制造過程中，對于重要零部件裝配，有必要采取扭矩或轉(zhuǎn)角監(jiān)控法對螺紋緊固件摩擦系數(shù)進(jìn)行管控，防止摩擦系數(shù)出現(xiàn)異常波動(dòng)[16]。