ML40Cr钢六角法兰面螺栓断裂原因分析

梁成成，周梦麒，王斌

1.山西工程职业学院 山西太原 030009

2.河北瑞腾新能源汽车有限公司 河北石家庄 052360

3.山西省检验检测中心（山西省标准计量技术研究院） 山西太原 030009

1 序言

汽车控制臂作为汽车悬架系统导向和传力元件，不仅起着将车轮上的各种力传递给车身，控制车轮按特定轨迹运动的功能，同时它还起着保证底盘结构的稳定性、减缓行驶产生晃动的作用，汽车控制臂螺栓联接的可靠性关系着整车的安全和行驶稳定性。关键部位的联接螺栓作为重要的紧固件，一般要求不能失效，一旦失效将造成机器失灵，严重者甚至出现人员伤亡的严重后果[1]。国内对8.8级以上高强度螺栓断裂失效的研究主要以氢脆[2-4]、疲劳[5，6]和原材料自身缺陷[7]导致的断裂为主，对螺栓安装过程问题引起的螺栓断裂报道较少[8]。

汽车控制臂与前副车架装配，需要用六角法兰面螺栓进行紧固，螺栓装配采用电动定扭扳手进行拧紧，装配过程中发现1根螺栓发生断裂。排查线边及库存螺栓，发现它们属于同一批次，该批次是最新生产到货的，共160根，螺栓尺寸检验均符合要求。为避免该螺栓再次发生断裂，基于理化检验方法，对断裂螺栓进行失效分析，通过鱼骨刺图法排查和现场拧紧试验验证，最终确定了该螺栓断裂的主要原因，并给出了改进措施，为保证螺栓正常使用和车辆安全运行提供了有力支持。

2 失效概况

汽车控制臂与前副车架处螺栓联接结构如图1所示，螺栓将车架与控制臂联接紧固在一起。

图1 控制臂与车架处螺栓联接结构

当拧紧力矩达到174N·m时螺栓发生断裂，断裂后的六角法兰面螺栓宏观形貌如图2所示，螺栓断裂部位为靠近螺母支撑面的第一扣螺纹处。六角法兰面螺栓材料牌号为ML40Cr，尺寸规格为M14mm×1.5mm×90mm，机械强度等级10.9级，螺栓表面采用达克罗（锌铝涂覆）处理，摩擦系数要求控制在0.09～0.15，安装扭矩为（200±20）N·m，螺栓主要加工工艺为：原材料进厂检验→原材料改制→下料→冷镦→热处理→机加工（搓丝）→表面达克罗处理→终检→包装。螺栓表面缺陷应符合GB/T 5779.3—2000《紧固件表面缺陷螺栓、螺钉和螺柱特殊要求》规定；螺栓螺纹的基本尺寸和公差等级应分别符合GB/T 196—2003《普通螺纹 基本尺寸》和GB/T 197—2018《普通螺纹 公差》规定；螺栓螺纹的螺牙和螺距应分别符合GB/T 192—2003《普通螺纹 基本牙型》和GB/T 193—2003《普通螺纹 直径与螺距系列》相应的规定；螺栓的强度等级、硬度范围、化学成分等方面应符合GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》和GB/T 3077—2015《合金钢结构》中相应的技术要求。

图2 断裂螺栓的外观形貌

3 理化检验

3.1 断口分析

（1）宏观断口分析 断口的宏观分析法，是一种对断裂件进行直观分析的简便方法，对螺栓断口进行宏观形貌分析，可以迅速而准确地识别出螺栓断裂类型、裂纹源位置，以及裂纹扩展途径和走向[9]。对断裂螺栓进行宏观目测发现，断裂起源于螺纹牙底区域，断口附近螺栓直径明显变细，该区域螺纹大径相差约0.83mm，出现明显的塑性变形和颈缩现象，如图3所示。螺栓断口界面呈倾斜状，界面与拉伸轴线呈约30°夹角，表面较粗糙，基本符合拉伸-扭转韧性过载断裂特征。

图3 螺栓塑性变形区形貌

图4所示为螺栓断口正面宏观形貌，整个断口表面较粗糙，色泽较均匀，未见异常痕迹。断面可以分为3个区域，其中Ⅰ区位于断面边缘，有一定高度的凸起，裂纹源在此区域萌生并向中心区域扩展；Ⅱ区有明显的扩展棱线花样，呈扇形状，属于放射区，裂纹经该区域由缓慢扩展向快速不稳定扩展转化；Ⅲ区位于断面缺口底部，此区域表面较粗糙，属于最终瞬断区。

图4 螺栓断口宏观形貌

（2）微观断口分析 将断口表面用超声波清洗后放置到扫描电镜下，用扫描电镜对图4螺栓断口Ⅰ区进行微观形态扫描，未见明显异常缺陷，其微观形貌呈现韧窝状花样[10]，如图5a所示。韧窝又称作孔坑、微坑，是韧性断裂主要的微观特征，韧窝形貌的存在说明螺栓具有良好的韧性。观察发现，韧窝的形状近似等同于等轴韧窝，这说明断面主要受力方向为轴向拉应力，这与宏观观察分析的结果基本吻合[11]。在扫描电镜下再对该区域化学元素进行能谱检测，结果如图5b所示。由图5b可知，断裂源区中只含有常见的Fe、C、Cr、Si等元素，未见Ca、Zn、Al等元素的氧化物，说明裂纹的萌生不是由夹杂物导致的。螺栓断口Ⅱ区和Ⅲ区微观形貌同样也是韧窝状，也没有异常夹杂物存在。

图5 螺栓裂纹源扫描电镜分析

螺栓断口微观形貌的观察分析，进一步佐证了螺栓断裂性质为韧性过载断裂。

3.2 断裂螺栓加工制样

切除断裂螺栓螺纹部分，长端重新磨削滚丝，加工制成M14×1.5-6h螺纹，用于螺栓抗拉强度测试。在距螺纹末端约一个公称直径（1d）处取一横截面制样，检测螺栓化学成分、硬度、金相组织及脱碳层，加工后的测试样件如图6所示。

图6 加工后的测试样件

3.3 化学成分分析

用德国OBLF-GS1000直读光谱仪对测试试样进行化学成分检测，结果见表1。

表1 化学成分分析结果（质量分数） （%）

断裂螺栓各元素含量均符合国家标准GB/T 6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》对ML40Cr的规定，螺栓化学成分合格，特别是有害元素S和P的含量均优于国家标准要求，在正常使用的情况下不会增加材料的脆性[12]。

3.4 金相组织检验分析

将测试试样进行磨制、抛光和浸蚀处理，放置到德国莱卡DMIL金相显微镜下，按照GB/T 13298—2015《金属显微组织检验方法》对失效螺栓金相组织形貌进行检测，结果如图7所示，索氏体基体（铁素体）上均匀分布着细小颗粒状的碳化物，符合回火索氏体的组织特征。高硬度的碳化物与具有良好塑性的铁素体构成的复相组织，使得调质后的螺栓具有了良好的韧性、塑性，以及较高的强度、硬度等综合性能[13]。依据GB/T 13320—2007《钢质模锻件 金相组织评级图及评定方法》规定，参照原始组织评级图对图7所示显微组织进行评定，金相显微组织为致密均匀的回火索氏体（回火索氏体+少量铁素体），组织级别为2级，未见其他异常，符合技术要求。

图7 螺栓显微组织形貌（500×）

将化学试剂浸蚀后的试样沿螺纹中心纵向剖开，进行螺纹表面脱碳层和表面缺陷检测，结果如图8所示。经测量可得，螺纹全脱碳层深度G=0mm，螺纹未脱碳层高度E=1.124mm，脱碳层满足GB/T 3098.1—2010规定的M14×1.5mm规格，10.9级高强度螺栓G≤0.015mm，E≥2/3H1（0.866mm）的要求（H1为螺纹牙高）[14]，螺纹表面质量状况良好，未发现孔洞、裂纹、折叠、脱碳等表面缺陷。

图8 螺栓表面显微组织形貌（100×）

3.5 硬度测试

采用洛氏硬度计对制备试样的表层和心部硬度进行测试，结果见表2。螺栓表层洛氏硬度平均值为37.33HRC，螺栓心部洛氏硬度平均值为36.33HRC，均符合GB/T 3098.1—2010中对10.9级螺栓的技术要求。

表2 螺栓硬度测试结果 （HRC）

3.6 抗拉强度

将制备的试样安装到万能试验机上，按照GB/T 228.1—2010《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》规定进行抗拉强度测试，实测抗拉强度为1130MPa，再抽检同批次2根螺栓进行抗拉强度测试，实测抗拉强度分别为1140MPa、1160MPa，均符合GB/T 3098.1—2010对10.9螺栓规定的抗拉强度≥1040MPa的要求，螺栓抗拉强度合格。

3.7 表面涂层性能分析

随机抽取同批次3根未使用过的螺栓分别进行摩擦系数和涂层厚度检测，利用德国Schatz多功能紧固件分析系统和日本日立CMI243涂层测厚仪，依据GB/T 16823.3—2010《紧固件 扭矩-夹紧力试验》和ISO 1463—2021《金属和氧化物镀层.覆盖层厚度的测定.显微镜法》相关要求实施检测，摩擦系数和涂层厚度检测结果分别见表3和表4。

表3 螺栓摩擦系数测量值

表4 螺栓涂层厚度测量值 （μm）

由表3可以看出，每根螺栓的总摩擦系数μtot、螺纹摩擦系数μb、螺栓支撑面摩擦系数μth都在图样要求的0.09～0.15内，且它们之间散差较小，一致性较好，摩擦系数合格。

由表4可以看出，每根螺栓的三点涂层平均厚度均在图样要求的6～20μm内，涂层厚度合格。

4 分析与讨论

通过理化检验结果可以看出，该六角法兰面螺栓化学成分、金相组织、硬度、抗拉强度、摩擦系数和涂层厚度等关键指标均符合技术要求，表明断裂螺栓的材料和热处理工艺正常，螺栓的断裂与其内在质量无直接因果关系。

通过断裂螺栓的宏观形貌和断口微观扫描可以看出，螺栓有塑性变形和颈缩现象，断口微观呈现韧窝状形貌，瞬断区表面粗糙，具有典型过载韧性断裂特征，表明该螺栓在装配过程中，由于承受载荷过大而造成螺栓断裂[15]。

针对螺栓承受过大载荷问题，笔者运用如图9所示的鱼骨刺图法，从“人机料法环”5个方面进行分析确认，查找问题发生的根本原因。

图9 鱼骨刺图

通过对控制臂与车架装配工艺分析，列出了如图9所示的引起螺栓载荷过大的5个可能原因，针对这些可能原因进行逐一排查，见表5。

表5 可能原因排查

经过核实发现，控制臂内孔直径为（14.5±0.1）mm，螺栓外径为14mm，存在螺栓穿过控制臂内孔困难的问题，为了方便安装，装配人员会在控制臂内孔预先涂抹凡士林油膏进行润滑，而螺纹涂上凡士林后，会导致螺栓摩擦系数减小。在相同的装配扭矩下，摩擦系数越小，产生的轴向力越大。通过对涂抹凡士林的螺栓进行摩擦系数测试，发现螺纹摩擦系数μb最小可达到0.03，大大低于技术要求的0.09～0.15。

根据GB/T 16823.2—1997《螺纹紧固件紧固通则》进行反算，为简化公式，假设μth=μb，当螺纹中径和小径均为最小值，即d2=12.886mm，d3=11.924mm，螺栓抗拉强度=1130MPa，D0=26.4mm，dh=15.5mm，扭矩系数K=0.108，屈服紧固轴力F=113.5kN，屈服紧固扭矩T=171.3N·m，根据以下紧固扭矩公式，可以反算出μth=μb=0.07。

通过上述数据可以看出，当螺栓被174N·m扭矩拧断时，理论上它的摩擦系数μb需要≤0.07。

现场采用同一定扭扳手，在相同拧紧扭矩值范围内对同一批次涂抹凡士林油膏的螺栓进行实际装配，发现连续5颗螺栓均发生过载断裂，试验结果也验证了涂抹凡士林是导致螺栓断裂的根本原因。

综合分析可以推断，涂抹上凡士林的螺栓，摩擦系数显著变小，在螺栓正常装配扭矩（200±20）N·m范围内，螺栓会出现过拧现象，此时螺栓受到的预紧拉应力异常增大，使螺栓被拉长，进而导致螺栓原有的力学性能大幅降低，不能满足被装配件的使用要求，从而导致螺栓产生轴向拉伸断裂。

从线边随机抽取4根同批次M14螺栓进行现场拧紧试验验证，在不涂抹凡士林油膏的情况下，按照规定的（200±20）N·m扭矩值进行装配，结果4根螺栓均未出现断裂和塑性变形问题，结论得到有效验证。

5 结论与建议

1）六角法兰面螺栓的化学成分、金相组织、力学性能、摩擦系数和涂层厚度等均满足相关技术要求。从螺栓断口宏微观分析，该螺栓为韧性过载断裂。

2）通过鱼骨刺图法排查和现场螺栓拧紧试验验证，说明螺栓过载断裂的主要原因为螺栓摩擦系数显著减小，而螺栓摩擦系数变小的原因是螺栓在装配过程中，螺纹表面异常接触到了凡士林油脂。

3）严格控制螺纹紧固件装配工艺，防止装配过程中螺栓接触到油脂、防锈油等润滑剂而影响摩擦系数，保证装配质量。

4）在汽车生产制造过程中，对于重要零部件装配，有必要采取扭矩或转角监控法对螺纹紧固件摩擦系数进行管控，防止摩擦系数出现异常波动[16]。