制动器拉杆螺杆断裂分析

程 琴，曾 蓉，刘德林

(1.北京航空材料研究院，北京 100095;2.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095;3.中航工业失效分析中心，北京 100095;4.萍乡学院材料与化学工程系，江西 萍乡 337055)

0 引言

随着汽车工业的发展，紧固件行业得到飞速发展，同时对汽车紧固件要求也越来越高。45 中碳优质碳素结构钢是生产汽车高强度紧固件的常用原材料，该钢淬硬性较高但淬透性低，切削加工性和力学性能较好，一般在正火状态下使用，力学性能要求较高时可采用调质处理。具体热处理工艺是在完全淬透的情况下，经高温回火得到符合要求的产品。并广泛应用于制造各种重要的结构零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、吊钩、螺栓、齿轮以及轴类等［1-5］。

车辆在总装厂维修时，经反复拆装制动器及侧减速器后发现制动器拉杆部件中的螺杆发生断裂。该类紧固件的失效故障发生较多［6-9］。汽车行车制动器的作用是在行驶时使车辆减速或者停止，保障人身和车辆的安全。制动器零部件如螺杆的过早失效，会引起汽车故障，人力和财力损失严重。因此，找到制动器拉杆故障原因，防止此类事件再次发生，消除故障隐患，保证汽车及人员安全就显得尤为重要。

制动器拉杆部件中的螺杆材料为45 钢，该零件在冷拉后按照要求需要进行调质热处理，调质处理工艺参数如下:830±10 ℃保温90～150 min，水淬，(550±30)℃保温2～3 h，空冷。螺杆的硬度技术要求为HV 270～302。

本研究通过对断裂制动器拉杆螺杆进行宏微观观察、金相检查、硬度检测和热模拟试验等方法确定了螺杆的断裂性质，并分析了该螺杆发生断裂的原因，并提出了解决措施，为避免此类故障的再次发生提供了借鉴作用。

1 试验方法

采用Camscan 型扫描电镜和OLYMPUS SZ61型体视显微镜对螺杆断口进行宏微观观察，用OLYMPUS GX51 型金相显微镜对螺杆的金相组织进行检查，在WOLBT 401MVD 硬度试验机上对螺杆的硬度进行测试，用M401A 电热炉进行热模拟试验。在上述试验的基础上确定了螺杆的断裂性质，并分析断裂失效原因。

2 试验过程与结果

2.1 宏观检查

螺杆外观形貌如图1 所示。螺杆断裂于螺杆与螺母的交接处。在OLYMPUS SZ61 型体视显微镜下对螺杆螺纹牙底进行观察，未见裂纹。

螺杆断口宏观形貌见图2。断口附近无明显的塑性变形，断面存在较严重的锈蚀痕迹。断口源区及扩展前期较平坦，最后断裂区较粗糙，整个断面存在一定的高度差。螺纹牙底未见擦伤、剥落、烧伤及撞击等痕迹。

2.2 微观观察

将螺杆断口清洗后放入JSM-5600LV 扫描电镜下进行观察。

图1 断裂螺杆外观形貌Fig.1 Appearance of the fractured screw

图2 螺杆断口宏观形貌Fig.2 Fracture surface of the screw

断口源区和扩展区微观形貌是解理羽毛和河流花样(图3a、图3b)，最后断裂区呈拉长韧窝形貌(图3c)。而人工快速和慢速打断的断口则为解理特征和韧窝混合形貌(图4)。取样通过830℃保温2 h 水冷，520 ℃保温2 h 空冷后，在室温下人为快速打断，整个断口呈韧窝形貌(图5)。

2.3 金相组织检查

在螺杆断口附近横向截取金相试样，磨制抛光后用浓度为4%(质量分数)的硝酸酒精腐蚀并观察。螺杆组织为较粗粒状珠光体、短片状的珠光体、少量的层片状珠光体和白色块状铁素体(图6)。

图3 螺杆断口微观形貌Fig.3 Micro appearance of the fracture surface of the screw

图4 人工断口微观形貌Fig.4 Micro feature of man-made fracture

图5 热模拟试验后人工打断断口微观形貌Fig.5 Micro feature of the man-made fracture surface after thermal simulation test

图6 断裂螺杆金相组织形貌Fig.6 Metallurgical structure appearance of fracture screw

在失效件的左螺纹中间段取样，对其进行热模拟试验，对应的模拟参数分别为:1)830 ℃保温45 min 后水冷，540 ℃保温2 h 空冷;2)830 ℃保温2 h 水冷，520 ℃保温2 h 空冷。分别对其编号为1#和2#试样。本故障件热处理制度为(830±10)℃保温90～150 min 后水淬，(550±30)℃保温2～3 h 后空冷，A 试样温度合适但保温时间较短，B 试样处于调质参数范围内。

热模拟后的试样经磨制抛光后观察金相组织，A、B 试样组织均为回火索氏体，但两者形态有区别，A 试样可见白色条块状，且马氏体位相不是很明显(图7)。

图7 模拟试样金相组织形貌Fig.7 Metallurgical structure of thermal simulation testing samples

2.4 硬度测定

分别在失效件断口附近、A 和B 试样上进行显微维氏硬度测试，测试结果见表1。断裂螺杆显微硬度平均值为HV 201.0，不符合螺杆的硬度技术要求(HV 270～302)。但热模拟试验后的螺杆A 试样和B 试样硬度分别为HV 265.3 和HV 288.4，其中B 试样符合技术要求值。

表1 螺杆硬度测试结果Table 1 Hardness testing results of the screw HV0.3

3 分析与讨论

螺杆断裂起源于螺纹牙底，断口附近无明显塑性变形，断口源区及扩展前期较平坦，最后断裂区较粗糙，整个断面存在一定的高度差。整个断面微观形貌呈解理特征，最后断裂区存在极少部分的韧窝形貌。断裂螺杆的金相组织为较粗粒状珠光体、短片状珠光体、少量的层片状珠光体和白色块状铁素体。由以上特征判断，螺杆的断裂性质为过载断裂。

断口宏微观观察结果表明，断裂从螺杆的牙底一侧向另一侧扩展，不仅受轴向拉力，必然受到弯曲载荷。另外，该螺杆安全裕度为2.0(即失效应力与设计应力的比值减去1.0 后的正数值，表征结构强度的富余程度)，在正常载荷作用下不足以发生断裂。由此判断，螺杆可能受到异常的弯曲和冲击载荷复合作用。

通常来说，零件发生过载断裂是指零件工作过程中受到的应力超过材料的断裂抗力所致［10］。主要影响因素包括:载荷超过了零件自身的抗力，零件所用材料自身的抗力不足［11］。

对于本失效案例来说，该制动器拉杆材料设计要求需按照技术要求进行调质热处理，为(830±10)℃淬火+(550±30)℃回火，组织应为回火索氏体，而该螺杆主要由粒状珠光体、短片状珠光体、少量的层片状珠光体和白色块状铁素体组成，表明螺杆仅进行过退火处理，并未进行调质处理;组织决定材料的力学性能，未进行调质处理也会对材料本身的抗拉强度产生直接的影响。硬度测试结果也表明，螺杆的硬度为HV 201，远低于技术要求HV 270～302。材料的抗拉强度低，韧性差，与技术要求规定的下限相差较大，导致螺杆承受静载的能力明显下降，且螺杆与螺母连接处属于应力集中处，该部位较易发生断裂失效。

通过对螺杆进行热模拟试验后，进一步确定了断裂螺杆未经调质处理。

因此，未进行调质处理导致材料强度低，韧性差，加上在服役过程中螺杆可能受到异常的弯曲和冲击载荷复合作用，导致螺母与螺杆的交接处发生断裂。要解决螺杆过早失效的问题，严格按照螺杆的热处理工艺规程，提高螺杆的强度和韧性，保证材料的力学性能满足设计要求。

4 结论

1)螺杆的断裂性质为过载断裂。

2)未进行调质处理导致材料强度低，韧性差，加上在服役过程中可能受到异常的弯曲和冲击载荷复合作用，导致螺母与螺杆的交接处发生断裂。

3)严格按照螺杆的热处理工艺规程，提升螺杆的强度和韧性，保证材料的力学性能满足设计要求。

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