汽车零部件断裂失效分析

AUTO TIME153AUTO PARTS | 汽车零部件时代汽车 轮毂螺母垫片断裂失效分析谢仔新宇星紧固件（嘉兴）股份有限公司 浙江省嘉兴市 314305摘 要： 材料为ML40Cr 的车轮轮毂螺母在装配后发现垫片断裂失效现象，通过宏观检查、断口分析、金相检测、硬度检测、化学成分分析、综合分析分析、氢含量测定等方法对垫片断裂原因进行分析。

结果表明：垫片表面在挤压过程中产生的微裂纹，在酸洗、镀锌等过程中，氢沿裂纹渗入基体，由于垫片硬度要求较高，从而导致氢脆开裂并扩展。

最终在装配应力作 用下发生断裂失效。

关键词：ML40Cr　轮毂螺母　断裂　硬度　氢脆轮毂螺母在装配后发现有垫圈开裂现象。

在其中部分轮毂中发现有1-2只开裂现象。

该螺母和垫圈材料均为ML40Cr，该垫圈加工工艺为：原材料球化—酸洗磷皂化—拉丝—切料压扁—退火—磷皂化—冷挤压—热处理—压圈—镀锌，热处理后硬度为38-44HRC。

为检查该批产品的断裂原因，以便防止后期在出现类似质量问题，笔者对断裂垫片进行检验和分析。

1　理化检查1.1　宏观观察实物如图1所示，材料为ML40Cr，从实物可见，垫圈存在两处开裂，为方便描述，现将两处分别标记为1#和2#。

1#2#图1　试样宏观形貌采用体视显微镜对样品进行宏观检查，图2所示为两处断口宏观形貌，可见断面均粗糙，隐约可见放射痕迹，放射痕迹收敛于垫圈内侧凹槽处（红色虚线框标记处），因此，该处为裂纹源区。

观察裂纹源区附近表面，可见存在金属堆积现象，如图3所示。

1.2　断口分析采用扫描电子显微镜分别对1#和2#断面进行微观形貌观察，图4所示为断面低倍形貌，可见，断面均可见放射状痕迹，裂纹 源区分别位于A1区和A2区边缘，为方便描述，现将断面分为A1、B1、C1和A2、B2、C2不同区域进一步描述。

图5为断面A1区微观形貌，断面为冰糖状沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

图6所示为断面C2区微观形貌，可见为“冰糖状”沿晶形貌，并伴有晶间二次裂纹，局部晶面可见“鸡爪纹”。

汽车零部件的失效模式及分析专业：班级学号：姓名：指导教师：年月摘要汽车零件失效分析，是研究汽车零件丧失其规定功能的原因、特征和规律；研究其失效分析技术和预防技术，其目的在与分析零部件失效的原因，找出导致失效的责任，并提出改进和预防措施，从而提高汽车可靠性和使用寿命。

目录第一章汽车零部件失效的概念及分类 (1)一、失效的概念 (1)二、失效的基本分类型 (1)三、零件失效的基本原因 (2)第二章汽车零部件磨损失效模式与失效机理 (3)一、磨料磨损及其失效机理 (3)二、粘着磨损及其失效机理 (4)三、表面疲劳磨损及其失效机理 (5)四、腐蚀磨损及其失效机理 (5)五、微动磨损及其失效机理 (6)第三章汽车零部件疲劳断裂失效及其机理 (8)第四章汽车零部件腐蚀失效及其机理 (9)第五章汽车零部件变形失效机理 (10)参考文献 (11)第一章汽车零部件失效的概念及分类一、失效的概念汽车零部件失去原设计所规定的功能称为失效。

失效不仅是指完全丧失原定功能，而且功能降低和严重损伤或隐患、继续使用会失去可靠性及安全性的零部件。

机械设备发生失效事故，往往会造成不同程度的经济损失，而且还会危及人们的生命安全。

汽车作为重要的交通运输工具，其可靠性和安全性越来越受到重视。

因此，在汽车维修工程中开展失效分析工作，不仅可以提高汽车维修质量，而且可为汽车制造部门提供反馈信息，以便改进汽车设计和制造工艺。

二、失效的基本分类型按失效模式和失效机理对是小进行分类是研究失效的重要内容之一。

失效模式是失效件的宏观特征，而失效机理则是导致零部件失效的物理、化学或机械的变化原因，并依零件的种类、使用环境而异。

汽车零部件按失效模式分类可分为磨损、疲劳断裂、变形、腐蚀及老化等五类。

汽车零件失效分类一个零件可能同时存在几种失效模式或失效机理。

研究失效原因，找出主要失效模式，提出改进和预防措施，从而提高汽车零部件的可靠性和使用寿命。

三、零件失效的基本原因引起零件是小的原因很多，主要可分为工作条件（包括零件的受力状况和工作环境）、设计制造（设计不合理、选材不当、制造工艺不当等）以及使用与维修等三个方面。

2021年 第4期 热加工771 序言对于汽车发动机而言，连杆螺栓不仅是将螺栓头部和螺杆联接在一起的紧固件，还是联接连杆大端轴承座与轴承盖使之成一体的重要螺栓。

连杆螺栓不仅受到装配时的预紧力[1]，在发动机的运行中还要承受活塞连杆往复运动惯性力和连杆旋转离心力的交变载荷作用，而且在气缸的压缩和做功行程中，还要受到每分钟上千次交变应力的冲击[2]。

各种失效模式的研究和案例也时有报道[3-6]，对汽车用断裂螺栓进行失效分析，研究其产生故障的特征、规律及原因，可为汽车的生产、使用或维修中采取有针对性地改进和预防措施提供理论依据，防止同类故障再次发生[7]。

2020年2月，某故障发动机在拆机之后发现其中一缸的进、排气部位缸体被击穿，连杆外露，另有紧固连杆的两根螺栓发生断裂（见图1）。

通过对断裂螺栓进行失效分析，主要包括断口分析、材料鉴定、拧紧工艺排查等方面，对螺栓的整个生命周期环节做了梳理，试图从螺栓的设计、生产检测以及拧紧工艺等方面找出螺栓断裂的原因，并解决连杆螺栓断裂问题。

2 连杆螺栓2.1 化学成分分析断裂螺栓规格为M8×1.0×40-6h ，其强度等级为10.9级，螺栓材料SCM435，是JIS G4035—2003中的一种热轧钢线材，属于低合金结构用钢，主要合金元素是Cr 、Mo 。

表1列出JIS G4035—2003中SCM435化学成分标准要求和断裂螺栓的化学成分分析结果，符合要求。

发动机连杆螺栓断裂失效分析叶枫，陈旺湘，胡志豪，马照龙浙江义利汽车零部件有限公司 浙江义乌 322000摘要：故障发动机被拆解之后发现固定连杆轴瓦的两根螺栓发生了断裂，通过对断裂螺栓进行宏观观察、SEM 显微分析以及对断口附近材料进行材质分析，研究确认连杆螺栓的断裂形式、原因，并提出相关改进措施。

结果表明：连杆螺栓断裂性质属于疲劳断裂，其中一根螺栓是完全疲劳断裂，另一根是部分疲劳和部分剪切断裂。

什么原因导致端⼦断裂？端⼦断裂失效分析⼀站式的材料检测、分析与技术咨询服务什么原因导致端⼦断裂？端⼦断裂失效分析美信检测失效分析实验室1. 案例背景失效样品为某汽车接地线束的固定端⼦，⽣产流程为：原料铜管→裁剪→冲压成型→表⾯镀锡→装配→振动试验（19万次）→断裂；其可靠性测试中6个成品经振动试验19万次后其中⼀个断裂，委托⽅要求分析该断裂失效端⼦的失效机理，并给出改进建议。

2. 分析⽅法简述外观检查中可观察到失效样品断裂的2部分能⽆缝对接，断裂位置在冲压形成的台阶折线处。

⼀站式的材料检测、分析与技术咨询服务将失效样品断⼝⽤超声波清洗⼲净，然后在SEM下放⼤观察断⼝形貌，⾼倍下发现断⼝存在明显的疲劳条带；低倍下观察到断⼝两侧低中间⾼，为两侧先开裂再向中间扩展形成的中间凸起断⼝形貌，结合据委托⽅提供的样品振动19万次后断裂信息，判断样品为双向⾼周疲劳断裂模式。

失效样品先去镀层，再进⾏化学成分分析，结果表明失效样品材质为纯铜，材料不存在异常。

失效样品和正常样品分别镶样，进⾏⾦相分析，失效样品腐蚀前⾦相观察未发现明显缺⼀站式的材料检测、分析与技术咨询服务陷，腐蚀后可观察到⼤变形区域的纤维状α相，⼩变形量区域为α相组织，伴有较多孪晶；正常样品腐蚀前⾦相观察发现样品表⾯的折弯处存在微裂纹，裂纹填充满锡，推断裂纹为冷加⼯成型造成的，腐蚀后可观察到⾦相组织为α相组织，伴有较多孪晶。

3. 分析与讨论从断⼝分析可知，样品断⼝形貌主要为⾼周期疲劳断裂特征，根据客户提供的震动试验资料，样品试验过程是振幅为12mm左右的周期振动，19万次后断裂，符合低应⼒⾼疲劳周期的双向⾼周疲劳断裂特征，两侧裂纹⽆锡填充，说明为镀锡后开裂，为冷机加⼯造成应⼒折叠形成的开裂。

从化学成分可知失效样品的铜含量在99.99%，材质为纯铜，材料不存在异常。

⼀站式的材料检测、分析与技术咨询服务从⾦相图⽚可知，失效样品与正常样品的⾦相组织都为α相组织，伴有较多孪晶，为冷机加⼯残留内应⼒较⼤的特征；正常样品可观察到填充锡的微裂纹，为冷机加⼯缺陷，这些表⾯微裂纹可能会成为开裂源。

———————————————————————作者简介:杨超林（1986-），男，广西柳州人，工程师，学士学位，研究方向为精密测量、发动机零部件理化检测及分析、检具管理等。

3断口微观分析(SEM)①对凸轮轴断口进行超声波清洗，并放置在日立S-3400N 钨灯丝扫描电子显微镜中观察A 区域的断口情②再通过日立S-3400N 钨灯丝扫描电子显微镜中观察B 区域裂口的情况，发现内有表面割痕，割痕区域占据断口横截面约1/2圆周范围，割痕有延伸至断口面（如图3）。

③将日立S-3400N 钨灯丝扫描电子显微镜放大倍数增加到800倍观察断口的其余区域，发现断口有解理断裂（脆性断裂）的形貌特征，可以判断凸轮轴为脆性断裂（如图4）。

4断口宏观与微观分析结论通过宏观与微观分析可见凸轮轴约占1/2断面的边缘区域存在打磨/锯伤割痕，且割痕较深，大于正常零件要求0.5mm ，约占1/4断面的边缘区域存在表面夹渣铸造缺A 区域宏观照片A 区域电镜照片图2A 区域宏观及放大示意图图1断口宏观分析照片B 区域宏观照片B 区域电镜照片图3B 区域宏观及放大示意图进一步加速凸轮轴断裂的诱因。

凸轮轴断口裂源区的表面打磨割伤痕迹会引起应力集中，加速初期裂纹的形成，渣铸造缺陷会加剧裂纹扩展，最终导致凸轮轴整体发生快速的解理断裂（脆性断裂）。

分析认为，大面积较深的打磨锯伤割痕是造成凸轮轴发生脆性断裂的诱因。

黑色箭头是裂纹扩展方向，详见图5。

其余性能检测硬度检测AFFRI LD300布氏硬度计对断裂凸轮轴硬度个检测点进行硬度检测，检测数据见表1，其硬度要求为207~262HBW，实测平均值为238.50HBW，检测结果合格。

金相检测Leica DMI3000M金相显微镜对做好的断口样件进行金相分析，对腐蚀前的断口样件进行放大所示，对照相关图谱可以样件的石墨类型为：脆断裂。

②断裂凸轮轴存在打磨/锯伤的现象，并超出打磨的要求，大面积较深的打磨/锯伤区域是本次凸轮轴断裂失效的主要原因，该原因主要是凸轮轴供应商对质量管控上的疏忽，未严格按照标准的要求进行打磨和修复作业。

关于汽车金属零部件断裂失效的质量鉴定摘要：新形势下，汽车金属零部件属于汽车重要组成部分，只有立足实际，对其进行全面控制，才可以在潜移默化的历程中，切实保证加工生产质量。

在工程实际应用中，断裂失效直接影响着产品的质量。

零部件失效是汽车最常见的危害之一，一旦出现问题，就会导致严重的后果出现。

汽车中心质量鉴定的过程中，就需要合理的分析金属零部件断裂失效的特征与规律，根据成因，判断责任，为后续充分开展相应的处理工作提供基础准备。

关键词:汽车金属零部件;断裂失效;质量鉴定一、引言随着科学技术的进一步发展，汽车保有量逐年提升，落实到了千家万户。

随着汽车数量的增加，汽车质量的重视程度也开始逐渐的提升。

近几年来，在汽车产品质量鉴定案件中，汽车金属零部件断裂失效所存在的问题较多，并且在众多的问题中，这个问题危害性较大[1]。

一旦出现问题，不仅是经济损失的问题，更为重要的是人员伤亡的问题。

汽车金属零部件在断裂失效的过程中，可以直观的看到，会形成一对相互匹配的断裂表面，属于金属组织中最薄弱的地方。

零部件断裂失效分析的过程中，就需要以断口为基础，找到出现断裂失效的成因，提出科学的鉴定方式，为充分开展相应的应对和处理工作，做一个参考性的价值。

二、汽车金属零部件断裂失效的质量鉴定路径（一）疲劳断裂失效从汽车零部件的角度进行分析，经常会出现的问题就是疲劳断裂，之所以会出现这样的问题，主要的成因就是在交变应力的作用下，经常周而复始的运动，长期下去，很可能就会存在断裂的问题。

一旦存在断裂的情况，那么很可能就会带来严重的后果。

从另外一个角度进行分析，疲劳断裂本身就是损伤累积过程中所出现的裂纹萌生、扩展和失稳断裂的结果。

在这里，从不一样的阶段进行分析，存在不一样的损伤程度，不管是材料的特性，还是尺寸的形状，损伤的问题都会出现很大的不同[2]。

此时，汽车金属零部件在出现破坏的时候，应力循环的次数或者是疲劳的程度都需要结合实际，合理的分类。

汽车零部件失效分析摘要：随着我国汽车制造行业的不断发展，各类新型汽车不断普及，机械设备故障也随之而来，汽车的安全和稳定也成了人们关注的重点话题。

基于此，本文针对汽车零部件失效原因和磨损失效原因进行综合分析，为汽车制造行业对汽车进行设计和改造提供参考，使确保汽车零件的使用安全，有效预防汽车安全事故的发生。

关键词：汽车零部件；失效分析；模式汽车零部件的稳定运行是保障汽车行驶安全的前提，社会各界人士对汽车使用安全和可靠性的关注度提高，因此需要对汽车零部件失效原因进行分析，通过分析结果改善汽车零部件制造技术和工艺，强化汽车结构设计，确保汽车零件的安全运行，保障汽车整体结构的安全和稳定。

一、汽车零部件失效的概述（一）汽车零部件失效的概念汽车零部件的失效是指零件的性能与设计预期不符，从而影响汽车的整体性能，影响汽车的使用，零部件失效会使零件的原本性能丧失，各项功能逐渐下降，零件出现大面积损伤等，如果长期使用受到损坏的零件，汽车的使用安全将难以得到保障。

由于零件的长期使用，其自身性能将会出现变化，因此需要对零部件性能的变化过程进行分析，掌握零部件变化过程中性能的变化情况，并制定切实可行的维护方案，维护零部件的整体性能，有效改善零部件性能失效对汽车运行的影响，这种方法也能够有效强化汽车的技术水平，确保零件生产和制造的整体质量，有效预防因零件失效而造成的汽车安全事故。

因此工作人员需要对汽车零件失效问题进行综合分析，掌握造成零件失效的主要原因，制定切实可行的零件维护计划，并应用在实际工作当中，保障零件自身作用，为汽车行业发展提供助力。

（二）汽车零部件失效的分类根据失效模式对汽车零部件进行分类，可以分为五大类。

第一类是磨损，主要包括粘着磨损、表面疲劳磨损、磨料磨损、微动磨损、腐蚀磨损，如齿轮表面和滚动轴承便面的麻点、曲轴“抱轴”等。

第二类是疲劳断裂，包括低应力高周疲劳、高应力低疲劳周疲劳、热疲劳、腐蚀疲劳，如齿轮轮齿折断、曲轴断裂等。

MANUFACTURING AND PROCESS | 制造与工艺近年来，随着国家战略的引导和人们生活品质提高的需要，纯电动汽车和混动汽车获得了快速发展。

而汽车重量对混动汽车燃油经济性和纯电动汽车的续航里程起着决定性作用，车重每降低100kg，油耗可减少0.7L/100km[1]。

根据业内的共识，簧下质量减重降油耗效果显著优于簧上质量，在动力底盘零件设计过程中，为了降油耗产品工程师会依据CAE分析结果，将零件尽可能减薄，譬如文中提到的将某混动车型变速器壳体的壁厚减薄，这往往带来一些新的问题。

除了优化产品结构，汽车降低能耗的途径主要是使用新型轻量化材料。

压铸铝合金因为优异的材料性能、加工的稳定性和比强度高等优点，成为汽车轻量化的热门材料。

高强韧铝合金压铸件从上世纪90年代起开始批量应用，近年来铝合金压铸件逐步替代铸铁，用量逐年增加，并广泛应用于汽车变速器壳体、发动机部件和汽车轮毂等等。

随着汽车工业技术的进步，大部分铝合金制造的汽车零部件向壁薄、高强度、高质量、高可靠性方向发展。

德国莱茵铝合金公司研究的新型压铸铝合金：Magsimal-59、Silafont-36与Castasil-37，通过控制Fe元素的含量，实现标准圆棒试样在铸态下断后延伸率达到17%，并成功应用于汽车车门制造。

王海东等对Al-Si-Mg系合金中添加微量元素Ti时，能有效细化晶粒，显著提供铝合金的抗拉强度和屈服强度，添加微量Zr或Sr元素，铝合金的力学性能显著改善，为制造铝合金汽车车身、吸能件提供了解决方案[2-3]。

目前研究和应用最广的铝合金主要是Al-Mg系、Al-Si系、Al-Si-Cu系和Al-Si-Mg四个系列。

我司的某变速器壳体属于Al-Si-Cu系的压铸铝合金，牌号是ADC12。

1　故障描述某混动车型变速器在路试测试时，壳体安装螺栓处开裂，断裂情况如下图1所示。

壳体开裂的裂纹源位于螺栓安装面下第三螺纹根部（图1，Ⅰ区箭头指向位置；CAE仿真分析显示，该处属于应力集中部位）。