摘要

本文通過外觀觀察、顯微檢查、金相檢查、硬度檢查、SEM分析、化學(xué)成分分析方法，從材料、設(shè)計(jì)、制造工藝等方面入手，找出某滑板斷裂的原因，為改善產(chǎn)品質(zhì)量提供技術(shù)支持。

1 引言

圖1為3只某滑板強(qiáng)度測(cè)試后圖片，均斷裂，其中一只滑板斷件仍留在托板上，未拆離。

2 檢查分析

2.1 外觀檢查

如圖2、圖3所示，檢查圖中1#、2#失效滑板，都出現(xiàn)以螺孔位置為拐點(diǎn)的宏觀面彎曲變形，失效滑板斷裂位置、斷裂路徑、斷口顏色大致相同。如圖4所示，檢查未拆卸的3#滑板，也具有大致相同的斷裂特征。因此，初步確定三只滑板斷裂原因相同。

2 檢查分析

如圖5所示，將1#失效件斷裂的兩部分拼合，發(fā)現(xiàn)螺栓不是垂直于滑板平面，而是沿滑板中心線傾斜。檢查其他強(qiáng)度試驗(yàn)件，都有同樣現(xiàn)象。

如圖6所示，滑板斷口顏色為深灰色，無光澤，斷面不平。

2.2 顯微檢查

如圖7所示，斷口附近的螺紋根部凹陷變形，加工紋間距增寬，壁厚減薄。

圖8、圖9中標(biāo)示出裂紋源所在的微觀和宏觀位置。如圖9所示，白色線條圈起的區(qū)域就是裂紋源區(qū)，存在較多微孔，是拉應(yīng)力條件下微孔聚合斷裂特征。圖中，有兩處裂紋擴(kuò)展方向，分別用箭頭A和B標(biāo)示。裂紋擴(kuò)展區(qū)A顏色深灰色，裂紋先擴(kuò)展，擴(kuò)展速度較慢；裂紋擴(kuò)展區(qū)B顏色偏淺，擴(kuò)展時(shí)間晚，擴(kuò)展的速度快。箭頭B起始處出現(xiàn)與箭頭線垂直的臺(tái)階，正是兩次裂紋擴(kuò)展相交線的結(jié)果。

如圖10是對(duì)裂紋源區(qū)檢查，發(fā)現(xiàn)裂紋源區(qū)顏色較深，存在較多微孔，屬于微孔聚合型斷裂。在裂紋源區(qū)同樣觀察到大量白點(diǎn)聚集，在白點(diǎn)聚集的區(qū)域，斷裂速度快。分析，白點(diǎn)聚集是氫脆的基本特征。因此，確認(rèn)微孔聚合與氫脆并存是本次開裂的基本特征。

如圖11所示，裂紋沿螺紋根部附近周向擴(kuò)展，裂紋擴(kuò)展路徑鋸齒形，開裂面參差不平，具有沿晶走向特征。在圖12中，也能觀察到裂紋周向擴(kuò)展的痕跡。黑色區(qū)域是延性斷裂特征，白色區(qū)域白點(diǎn)聚集，斷口平直，脆性增大。

2.3 金相檢查

如圖13所示，為滑板次表層金相組織，圖14是滑板心部金相組織。次表層和心部組織相差不大，為保持M位相的回火S+回火T，以及少量的B+極少量F。

2.4 硬度試驗(yàn)

沿與滑板縱向垂直的直徑方向，剖開螺栓孔，檢查剖面硬度，測(cè)量結(jié)果如表2所示。依據(jù)GB/T 1172換算成洛氏硬度為45.5HRC，高于圖紙（GTQ-YL190503）要求的38～42HRC。鋼的硬度越高，氫脆的危險(xiǎn)性越大。

2.5 SEM分析

如圖15所示，裂紋源區(qū)域是微孔及韌性的發(fā)絲，微觀上具有準(zhǔn)解離特征。

如圖16所示，在裂紋擴(kuò)展區(qū)，是片狀裂紋結(jié)構(gòu)，與氫脆作用相關(guān)。

如圖17所示，觀察到類似雞腳爪形狀的白色撕裂棱，進(jìn)一步證實(shí)滑板中確有氫脆存在。

2.6 化學(xué)成分分析

采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學(xué)成分，分析滑板鋼材料成分結(jié)果見表3，與GB/T 3077對(duì)照，符合40CrA鋼元素含量范圍。

3 理論分析

滑板螺栓孔經(jīng)拉凸工序，拉伸變形較大，殘余拉應(yīng)力較大。強(qiáng)度測(cè)試前，因裝配螺栓增加預(yù)緊力，內(nèi)螺紋再次變形。強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，如圖18所示，滑板連接螺栓受力F總可分解為Fx和Fy兩個(gè)分力，其中螺栓受力Fy，反過來對(duì)滑板螺栓孔產(chǎn)生大小Fy拉力，每個(gè)內(nèi)螺牙分擔(dān)的力為Fy/n（n為內(nèi)螺紋螺牙個(gè)數(shù)）。

設(shè)Fx到滑板厚度中間線的距離為H，則滑板受彎曲力矩M=Fx*H，滑板因此沿螺栓孔AB中心線面彎曲。

受力分析發(fā)現(xiàn)，滑板在AB螺孔中心線位置附近的螺牙受力最大，變形最大。

滑板喇叭孔內(nèi)螺紋根部位置接近滑板厚度中心線，螺紋根部幾何突變，應(yīng)力集中較大，殘余應(yīng)力高，并且在內(nèi)螺紋大徑位置，滑板截面厚度最薄，受拉應(yīng)力變形時(shí)，容易出現(xiàn)頸縮。當(dāng)拉伸變形大于材料延伸率時(shí)，出現(xiàn)開裂現(xiàn)象。這與顯微觀察到裂紋源處微孔聚合斷裂特征相吻合。

40Cr鋼拉伸變形能力有限。GB/T 3077給出該材料調(diào)質(zhì)條件下，抗拉強(qiáng)度為980MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的斷后伸長(zhǎng)率為9%。對(duì)照GB/T 1172發(fā)現(xiàn)，抗拉強(qiáng)度為980MPa時(shí)，對(duì)應(yīng)的硬度為31.5HRC。當(dāng)40Cr鋼硬度達(dá)到45.5HRC時(shí)，材料斷后伸長(zhǎng)率降低，低于調(diào)質(zhì)狀態(tài)時(shí)的9%。

從檢查結(jié)果來看，滑板材料有氫脆現(xiàn)象。40Cr鋼在高硬度時(shí)，氫脆的危險(xiǎn)性更高。電鍍時(shí)，H+向材料內(nèi)部擴(kuò)散。當(dāng)裂紋經(jīng)過H+集聚區(qū)域，材料的脆性大，即使是在較低的應(yīng)力條件下，裂紋也能快速擴(kuò)展。

從裂紋源區(qū)域的檢查分析結(jié)果來看，滑板開裂兼有微孔聚合與氫脆特征。

滑板強(qiáng)度測(cè)試時(shí)，圖18中的AB截面受力最大。又由于滑板內(nèi)螺紋底徑處變形大，殘余應(yīng)力大，再加螺紋根部幾何突變，應(yīng)力集中，因此裂紋首先沿螺紋底徑周向擴(kuò)展。當(dāng)截面有效厚度減小到某個(gè)臨界值時(shí)，AB截面拉應(yīng)力開始起主導(dǎo)作用，出現(xiàn)新的裂紋面，出現(xiàn)兩次裂紋擴(kuò)展面交叉的情況，隨后滑板快速斷裂。

4 結(jié)論

綜合以上各項(xiàng)，得出某滑板斷裂的原因?yàn)椋?/p>

1）某滑板所用40Cr材料，原材料拉伸性能低，熱處理工藝不合理，硬度偏高，以及氫脆作用，降低拉伸性能，增大材料脆性；

2）某滑板成型過程變形大，螺栓孔圓角過渡不圓滑，幾何形狀突變，應(yīng)力集中程度高。

5 建議

建議滑板優(yōu)先選用合適的高強(qiáng)度、高塑性的高強(qiáng)鋼材料。即使使用40CrA材料，最終熱處理硬度也不宜超過35HRC，推薦熱處理采用最終硬度為28～32HRC的調(diào)質(zhì)熱處理工藝，并嚴(yán)格控氫。

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