汽車連桿螺栓斷裂原因分析

摘 要：通過化學成分分析、硬度測試、非金屬夾雜物檢驗以及金相檢驗等方法，對某型號乘用車發動機連桿螺栓的斷裂原因進行了分析。結果表明：螺栓材料內有較多未溶解的塊狀鐵素體組織，塊狀鐵素體的存在降低了材料硬度、韌性和疲勞壽命，是造成螺栓斷裂的根本原因。同時提出了預防控制措施。

關鍵詞：連桿螺栓；斷裂；鐵素體

汽車連桿螺栓是連接連桿蓋和連桿大頭的緊固件，工作時它承受沖擊性的周期變化著的拉應力和裝配時的預應力，是發動機中一個重要的連接零件。某型號乘用車在行駛時，連桿螺栓斷裂導致汽車發動機失效造成嚴重事故。廠方要求分析斷裂原因。該螺栓的設計材料為40Cr鋼，生產工藝為：下料-鍛造-退火-機械加工（粗加工）-調質-機械加工（精加工）。硬度為31～38HRC。筆者通過理化檢驗對該螺栓斷裂的原因進行了分析。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

在螺栓上取樣進行化學成分分析，依據GB/T 4336-2002，使用Foudry-Master Pro直讀光譜儀對試樣進行化學分析試驗，試驗溫度21℃，濕度52%。試驗結果見表1，可見斷裂螺栓的化學成分符合標準GB/T 3077-1999對40Cr鋼的要求。

1.2 硬度測試

去除螺栓頭部鍍層按照標準GB/T 230.1-2009方法對螺栓頭部進行硬度測試，得到螺栓的硬度值為22～24 HRC遠低于設計要求。

1.3 非金屬夾雜物評定

按照標準GB/T10561-2005的A法，使用評級圖評定螺栓的夾雜物級別為：A類0.5級，B類0級，C類0.5級，D類1.0級[1]；螺栓技術要求為A，B，C，D各類夾雜物級別均不超過1.5級，總級別不超過3.5級，由此可見螺栓夾雜物級別符合技術要求。

1.4 金相檢驗

1.4.1 螺紋金相檢驗

將斷裂的螺栓沿軸向剖開制成金相試樣，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，置于Axio Imager A1m光學顯微鏡下觀察，可見螺紋表面組織：無脫碳現象，如圖1所示，即螺紋未脫碳層的最小高E=螺紋高度，螺紋全脫碳層的最大深度G=0，螺栓技術要求為：螺紋未脫碳層的最小高度E≥2/3螺紋高度，螺紋全脫碳層的最大深度G≤0.015mm，由此可見螺紋金相組織符合技術要求。

1.4.2 螺栓基體組織金相檢驗

將斷裂的螺栓沿軸向剖開制成金相試樣，用體積分數為4%的硝酸酒精溶液侵蝕后，置于Axio Imager A1m光學顯微鏡下觀察，可見螺栓基體組織為回火索氏體+塊狀鐵素體，如圖2所示，這種組織不是40Cr鋼正常調質狀態組織，即連桿螺栓（40Cr鋼）未按技術條件規定進行調質熱處理；40Cr鋼經調質熱處理后基體組織應為均勻分布的回火索氏體，不允許有塊狀鐵素體出現，否則會降低強度、韌性和疲勞壽命[2]。

2 分析與討論

綜合上述分析結果可見，連桿螺栓的化學成分符合要求，螺栓夾雜物級別符合技術要求，螺紋金相組織符合技術要求，硬度值遠低于設計要求，螺栓基體組織屬不良調質組織，材料內有較多未溶解的塊狀鐵素體組織，鐵素體出現在調質40Cr鋼的基體組織中，是由于淬火溫度低或保溫時間短，鐵素體未完全溶入奧氏體中，即組織還未完全奧氏體化，在隨后的淬火冷卻過程中鐵素體被保留下來。塊狀鐵素體的存在使螺栓的硬度值遠低于設計要求，同時還降低了材料韌性和疲勞壽命，是造成螺栓斷裂的根本原因。

3 結論與建議

連桿螺栓未按技術條件規定進行調質處理是造成螺栓斷裂的根本原因。所以建議企業嚴格按技術條件規定進行調質處理，并在調質處理后增加硬度檢驗和金相組織檢驗工序，確保調質處理符合技術要求，提高連桿螺栓的質量。

參考文獻

[1]GB/T10561-2005 鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法[S].

[2]劉永銓.鋼的熱處理[M].北京：冶金工業出版社，1981.