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old town road 质量(liang)分析

汽车方向盘自挤螺钉断裂失效分析

要(yao):采用(yong)(yong)扫描电镜、金相检(jian)验、显(xian)微(wei)硬度(du)、化学(xue)成(cheng)分(fen)分(fen)析、氢脆预载荷试验等(deng)方法对(dui)某(mou)型号(hao)乘用(yong)(yong)车方向盘固定(ding)螺钉的(de)(de)断裂(lie)原因进行了分(fen)析。结果(guo)表(biao)(biao)(biao)明,螺钉的(de)(de)断裂(lie)性质是氢致延(yan)迟断裂(lie),裂(lie)纹起(qi)源(yuan)于螺钉头下第(di)一牙(ya)底。电镀后驱(qu)氢不充分(fen)致使螺钉表(biao)(biao)(biao)层(ceng)残(can)留较(jiao)高浓度(du)的(de)(de)氢,表(biao)(biao)(biao)面渗碳层(ceng)及首牙(ya)处的(de)(de)应力集中构成(cheng)了导致氢脆三个敏感因素。

汽车用紧固件相对于普通紧固件具有(you)更高(gao)的安全性、可(ke)靠性(xing)要(yao)求(qiu)高(gao),汽车主机(ji)厂通常会要(yao)求(qiu)其供应(ying)商提供的紧固(gu)件产品零缺陷,因(yin)为(wei)车辆在高速运行过程中(zhong),即使一(yi)个不(bu)起眼(yan)的螺钉(ding)断裂(lie)也可(ke)能造成严重的安全事故。某型(xing)号乘(cheng)用(yong)车在试车时,用(yong)于固(gu)定方向盘的螺钉(ding)发生断裂(lie),厂方要求分析(xi)断裂(lie)原因(yin)。该螺钉(ding)为(wei)一(yi)自(zi)挤螺钉(ding),螺纹公称直径3.5mm,材(cai)质为SAE1022 ,表面渗碳后又经电镀锌处(chu)理。

1 理化检验

1.1断口分析(xi)

1所(suo)示(shi)为(wei)断(duan)裂螺钉断(duan)面宏观形貌,该螺钉在(zai)一镁合金被连接部(bu)件上自攻(gong)螺纹(wen)安(an)装(zhuang),发(fa)现(xian)时螺钉头部(bu)已掉落(luo)丢失(shi),图中所(suo)示(shi)为(wei)还未取出(chu)的断(duan)裂残件,其断(duan)口平(ping)齐,隐约可见发(fa)散性条纹(wen)收敛(lian)于断(duan)面右侧(ce)边缘。

1.3 化学成分(fen)分(fen)析

采用电感耦合等(deng)离子发射(she)光谱法(ICP)对螺钉部分(fen)(fen)残样进行化学成分(fen)(fen)分(fen)(fen)析(xi),结果(guo)如表1所示,其化学成分与“SAE J430-2001”标准中1022钢(gang)的要求相比,碳(tan)含量偏高,这可能是由于螺(luo)钉表面渗碳(tan)的缘故。

1 断裂螺钉化学成分(fen)(质量分(fen)数, %

Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)

化(hua)学元素(su)

C

Si

Mn

P

S

标准规定

0.170.23

≤0.10

0.701.00

≤0.030

≤0.035

检测值

0.28

0.06

0.80

0.016

0.010

1.2 氢含量测定

取断裂(lie)试(shi)样残件(jian)和完好(hao)试(shi)样进行(xing)氢含量测定(ding),据生厂(chang)家介绍,该批螺钉(ding)在电镀后(hou)已经做过200保温4小(xiao)时的(de)驱(qu)氢处理,但(dan)检测结果(guo)显示,该批螺钉(ding)氢含量(liang)仍处于较(jiao)高水平(ping)

2 螺钉氢含量

Tab.2 Hydrogen content of the screws

试样

氢含量/ ppm

断(duan)裂试(shi)样(yang)

12.5

完好试样(yang)

10.09.511.3

为了进一步(bu)验证螺钉是否(fou)有(you)氢脆倾向,根(gen)据(ju)GB/T 3098.17-2000进行检查氢脆预(yu)载荷试验,在保载48小时候后(hou)未发现(xian)螺钉断(duan)裂(lie),但仔细观察后(hou)发现(xian),多处螺纹部位已断(duan)裂(lie)或产生裂(lie)纹,如图7(a)所示。将螺纹断(duan)(duan)裂(lie)面放大后可(ke)见(jian)其断(duan)(duan)口(kou)为(wei)沿晶断(duan)(duan)裂(lie)形(xing)(xing)貌,晶间有(you)二次裂(lie)纹,晶面上有(you)大量鸡(ji)爪形(xing)(xing)撕裂(lie)痕(hen),为(wei)典型的氢脆(cui)断(duan)(duan)口(kou)形(xing)(xing)貌,如图7(b)所示。

2.综合分(fen)析

以上(shang)分(fen)析结果(guo)(guo)表明,螺(luo)栓断口(kou)(kou)平(ping)齐(qi),无明显(xian)塑性变(bian)形,断口(kou)(kou)边缘为冰糖状沿晶(jing)形貌(mao),晶(jing)面上(shang)有大量鸡(ji)爪形撕裂(lie)纹;芯(xin)部为准解理形貌(mao),这些都(dou)是氢(qing)脆断裂(lie)的典型特征。同时,螺(luo)钉中也(ye)检测到了较(jiao)高(gao)浓度的氢(qing),检查氢(qing)脆预载荷试验结果(guo)(guo)也(ye)表明螺(luo)钉渗碳(tan)层是氢(qing)脆敏(min)感(gan)区。

氢(qing)(qing)脆断裂是紧(jin)固件产品失(shi)效机理(li)中比较(jiao)常见的(de)(de)(de)(de)一(yi)种,是零件在低于材料屈服极限的(de)(de)(de)(de)静应力作用(yong)下导(dao)(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)(de)失(shi)效。它是由于氢(qing)(qing)渗入金(jin)属内部导(dao)(dao)致(zhi)的(de)(de)(de)(de)不可(ke)逆损伤,它无征兆,具有突发(fa)性,因此(ci),氢(qing)(qing)脆断裂具有极大(da)的(de)(de)(de)(de)破坏性。影响氢(qing)(qing)脆的(de)(de)(de)(de)因素主要有:钢的(de)(de)(de)(de)含碳量、显微(wei)组织、钢的(de)(de)(de)(de)强度(du)、硬度(du)及(ji)所(suo)受(shou)(shou)应力等。钢的(de)(de)(de)(de)含碳量越(yue)高,强度(du)越(yue)大(da),硬度(du)越(yue)高,所(suo)受(shou)(shou)应力越(yue)大(da)则氢(qing)(qing)脆敏感性就越(yue)高 [1]。在(zai)本(ben)案(an)例中,螺(luo)钉(ding)在(zai)整(zheng)个制(zhi)作过程中经历(li)了(le)电(dian)镀工艺,致使氢渗入螺(luo)钉(ding)表(biao)层,虽然在(zai)电(dian)镀后经过驱(qu)氢处理,但螺(luo)钉(ding)中的氢含量(liang)仍处于较高水(shui)平,这(zhei)可能是由于表(biao)面镀层对内部氢的逸出起到了(le)一定的阻(zu)碍作用[2,3]。由(you)于氢(qing)(qing)在材料内部(bu)分布并不均匀,会在材料的微(wei)观缺陷及应(ying)(ying)力(li)较(jiao)大处富集(ji),头下(xia)第一(yi)牙处,为应(ying)(ying)力(li)较(jiao)大部(bu)位,在载荷的作(zuo)用下(xia),氢(qing)(qing)与局部(bu)应(ying)(ying)力(li)交互作(zuo)用,在此处形成氢(qing)(qing)的局部(bu)高(gao)(gao)浓(nong)度(du)富集(ji)(远高(gao)(gao)于所检测的平(ping)均氢(qing)(qing)浓(nong)度(du));而(er)且螺(luo)钉表层经(jing)渗碳淬(cui)火后的高(gao)(gao)碳、高(gao)(gao)硬(ying)度(du)组(zu)织具(ju)有较(jiao)高(gao)(gao)的氢(qing)(qing)脆敏(min)感(gan)性,致使氢(qing)(qing)致裂纹在渗碳层萌(meng)生并向内扩展,最终导致螺(luo)钉断(duan)裂。

3.结论(lun)

该(gai)螺钉的断(duan)裂性质是(shi)氢(qing)致延迟断(duan)裂,裂纹起源(yuan)于(yu)渗(shen)碳(tan)层,驱氢(qing)不充分和(he)渗(shen)碳(tan)层过(guo)厚(hou)(hou)是(shi)导致该(gai)螺钉氢(qing)脆断(duan)裂的根(gen)本原因,建议厂家在不影响镀层质量(liang)的前提下(xia)适当提高驱氢(qing)温度(du)、延长(zhang)保温时间,渗(shen)碳(tan)层厚(hou)(hou)度(du)则(ze)宜(yi)控制在标准规定的下(xia)限。

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