輪轂螺母墊片斷裂失效分析

謝仔新

摘 要：材料為ML40Cr的車輪輪轂螺母在裝配后發現墊片斷裂失效現象，通過宏觀檢查、斷口分析、金相檢測、硬度檢測、化學成分分析、綜合分析分析、氫含量測定等方法對墊片斷裂原因進行分析。結果表明：墊片表面在擠壓過程中產生的微裂紋，在酸洗、鍍鋅等過程中，氫沿裂紋滲入基體，由于墊片硬度要求較高，從而導致氫脆開裂并擴展。最終在裝配應力作 用下發生斷裂失效。

關鍵詞：ML40Cr 輪轂螺母 斷裂 硬度 氫脆

Failure Analysis of Fracture of Hub Nut Ring

Xie Zixin

Abstract：The wheel hub nut made of ml40cr was found broken after assembly. The causes of ring fracture were analyzed by macro inspection， fracture analysis， metallographic examination， hardness examination， chemical composition analysis， comprehensive analysis， hydrogen content determination and other methods. The results show that during the process of pickling and galvanizing， the hydrogen penetrates into the matrix along the cracks， which leads to the hydrogen embrittlement cracking and expansion due to the high hardness requirements of the gasket. Finally， fracture failure occurs under assembly stress.

Key words：ML40Cr， hub nut， fracture， hardness， hydrogen embrittlement

輪轂螺母在裝配后發現有墊圈開裂現象。在其中部分輪轂中發現有1-2只開裂現象。該螺母和墊圈材料均為ML40Cr，該墊圈加工工藝為：原材料球化—酸洗磷皂化—拉絲—切料壓扁—退火—磷皂化—冷擠壓—熱處理—壓圈—鍍鋅，熱處理后硬度為38-44HRC。為檢查該批產品的斷裂原因，以便防止后期在出現類似質量問題，筆者對斷裂墊片進行檢驗和分析。

1 理化檢查

1.1 宏觀觀察

實物如圖1所示，材料為ML40Cr，從實物可見，墊圈存在兩處開裂，為方便描述，現將兩處分別標記為1#和2#。

采用體視顯微鏡對樣品進行宏觀檢查，圖2所示為兩處斷口宏觀形貌，可見斷面均粗糙，隱約可見放射痕跡，放射痕跡收斂于墊圈內側凹槽處（紅色虛線框標記處），因此，該處為裂紋源區。觀察裂紋源區附近表面，可見存在金屬堆積現象，如圖3所示。

1.2 斷口分析

采用掃描電子顯微鏡分別對1#和2#斷面進行微觀形貌觀察，圖4所示為斷面低倍形貌，可見，斷面均可見放射狀痕跡，裂紋 源區分別位于A1區和A2區邊緣，為方便描述，現將斷面分為A1、B1、C1和A2、B2、C2不同區域進一步描述。

圖5為斷面A1區微觀形貌，斷面為冰糖狀沿晶形貌，并伴有晶間二次裂紋，局部晶面可見“雞爪紋”。

圖6所示為斷面C2區微觀形貌，可見為“冰糖狀”沿晶形貌，并伴有晶間二次裂紋，局部晶面可見“雞爪紋”。

將墊圈人為打斷后觀察斷口形貌，圖7所示為人為沖擊斷口微觀形貌，可見為準解理+韌窩形貌。

1.3 金相檢驗

對開裂墊圈取樣進行金相觀察，圖8所示為墊圈芯部金相組織，可見為均勻的回火索氏體，組織未見明顯異常。

斷口附近金相組織如圖9所示，可見沿主裂紋可見分支裂紋。

1.4 硬度檢測

對開裂墊圈取樣進行硬度檢測，結果如表1所示從試樣邊緣至芯部硬度梯度。根據“GB/T1172-1999黑色金屬硬度及強度換算值”將維氏硬度轉換成洛氏硬度，可見墊圈芯部硬度高于技術要求上限（44HRC），試樣表面存在輕微脫碳。

1.5 化學成分分析

采用電感耦合等離子發射光譜儀（ICP）和碳硫分析儀對試樣進行化學成分分析，結果如表2所示，各元素均符合“GB/T 6478-2015 冷鐓和冷擠壓用鋼”中關于ML40Cr鋼的規定。氫含量測定結果表明，開裂件氫含量為0.9ppm。

2 分析和討論

失效墊圈存在兩處開裂，斷面均較粗糙，并可見明顯放射痕跡和原始微裂紋，放射痕跡收斂于墊圈內側凹槽處，斷面微觀均可見“冰糖狀”沿晶形貌，并伴有晶間二次裂紋，局部晶面可見“雞爪紋”，具有氫致延遲（氫脆）斷裂特征。

氫脆是由于氫滲入金屬內部而產生的損傷，導致零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下斷裂，它無征兆、具有突發性。零件內部的氫來源途徑通常包括：原材料、熱處理、表面處理（如酸洗、電鍍）、環境腐蝕等幾個環節，而且氫在材料內部分布并不均勻，會在材料的微觀缺陷或應力較大處富集。在載荷的作用下，氫與局部應力交互作用，形成氫的局部高濃度富集。影響零件氫脆敏感性的因素主要有：含氫量、顯微組織、強度、硬度及所受應力等，基體含氫量越高，強度越大，硬度越高，所受張應力越大則越容易誘發氫脆斷裂。

開裂墊圈芯部金相組織、化學成分未見明顯異常，硬度測試結果表明，墊圈芯部硬度約44HRC，在設計要求的上限（44HRC）。通常當零件的硬度大于32HRC時就有氫脆傾向，氫脆敏感性較大。氫含量檢測結果表明，墊圈基體內氫含量為0.9ppm。除此之外，在裂紋源附近表面觀察到金屬堆積現象，并且金屬堆積處表面鍍層完好，說明該金屬堆積在墊圈壓帽或其他塑性加工時產生，在墊圈安裝后該部位容易引起應力集中，且應力集中部位作為氫陷阱，存在氫局部富集的可能，最終導致該處萌生微裂紋，氫原子便向裂紋尖端應力集中區擴散并聚集，使裂紋持續擴展直至墊圈開裂。

3 結論和解決方案

3.1 結論

3.1.1 墊圈斷裂符合氫致延遲斷裂特征;

3.1.2 導致墊圈開裂的原因為金屬堆積現象加上墊圈芯部硬度過高，且基體殘留一定的氫。

3.2 解決方案

3.2.1 墊圈硬度適當降低，改產品的墊圈硬度要求偏高，并且是80年代引進奧地利斯太爾車橋技術，未進行修改過。查證國內外該類最新產品的技術要求，硬度值都沒有這么高，建議適當降低到32-38HRC。

3.2.2 表面鍍鋅應采用堿性鍍鋅和除氫處理。或者采用磷化表面處理工藝代替鍍鋅表面處理。

參考文獻：

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