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、化學成分分析方法，從材料、設計、制造工藝等方面入手，找出某滑板斷裂的原因，為改善產品質量提供技術支持。

1 引言

圖1為3只某滑板強度測試后圖片，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，都出現以螺孔位置為拐點的宏觀面彎曲變形，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，發現螺栓不是垂直于滑板平面，而是沿滑板中心線傾斜。檢查其他強度試驗件，都有同樣現象。

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，白色線條圈起的區域就是裂紋源區，存在較多微孔，是拉應力條件下微孔聚合斷裂特征。圖中，有兩處裂紋擴展方向，分別用箭頭A和B標示。裂紋擴展區A顏色深灰色，裂紋先擴展，擴展速度較慢；裂紋擴展區B顏色偏淺，擴展時間晚，擴展的速度快。箭頭B起始處出現與箭頭線垂直的臺階，正是兩次裂紋擴展相交線的結果。

如圖10是對裂紋源區檢查，發現裂紋源區顏色較深，存在較多微孔，屬于微孔聚合型斷裂。在裂紋源區同樣觀察到大量白點聚集，在白點聚集的區域，斷裂速度快。分析，白點聚集是氫脆的基本特征。因此，確認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展，裂紋擴展路徑鋸齒形，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展的痕跡。黑色區域是延性斷裂特征，白色區域白點聚集，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

沿與滑板縱向垂直的直徑方向，剖開螺栓孔，檢查剖面硬度，測量結果如表2所示。依據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，氫脆的危險性越大。

2.5 SEM分析

如圖15所示，裂紋源區域是微孔及韌性的發絲，微觀上具有準解離特征。

如圖16所示，在裂紋擴展區，是片狀裂紋結構，與氫脆作用相關。

如圖17所示，觀察到類似雞腳爪形狀的白色撕裂棱，進一步證實滑板中確有氫脆存在。

2.6 化學成分分析

采用硫碳分析儀+ICP檢查材料化學成分，分析滑板鋼材料成分結果見表3，與GB/T 3077對照，符合40CrA鋼元素含量范圍。

3 理論分析

滑板螺栓孔經拉凸工序，拉伸變形較大，殘余拉應力較大。強度測試前，因裝配螺栓增加預緊力，內螺紋再次變形。強度測試時，如圖18所示，滑板連接螺栓受力F總可分解為Fx和Fy兩個分力，其中螺栓受力Fy，反過來對滑板螺栓孔產生大小Fy拉力，每個內螺牙分擔的力為Fy/n（n為內螺紋螺牙個數）。

設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。

受力分析發現，滑板在AB螺孔中心線位置附近的螺牙受力最大，變形最大。

滑板喇叭孔內螺紋根部位置接近滑板厚度中心線，螺紋根部幾何突變，應力集中較大，殘余應力高，并且在內螺紋大徑位置，滑板截面厚度最薄，受拉應力變形時，容易出現頸縮。當拉伸變形大于材料延伸率時，出現開裂現象。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給出該材料調質條件下，抗拉強度為980MPa時，對應的斷后伸長率為9%。對照GB/T 1172發現，抗拉強度為980MPa時，對應的硬度為31.5HRC。當40Cr鋼硬度達到45.5HRC時，材料斷后伸長率降低，低于調質狀態時的9%。

從檢查結果來看，滑板材料有氫脆現象。40Cr鋼在高硬度時，氫脆的危險性更高。電鍍時，H+向材料內部擴散。當裂紋經過H+集聚區域，材料的脆性大，即使是在較低的應力條件下，裂紋也能快速擴展。

從裂紋源區域的檢查分析結果來看，滑板開裂兼有微孔聚合與氫脆特征。

滑板強度測試時，圖18中的AB截面受力最大。又由于滑板內螺紋底徑處變形大，殘余應力大，再加螺紋根部幾何突變，應力集中，因此裂紋首先沿螺紋底徑周向擴展。當截面有效厚度減小到某個臨界值時，AB截面拉應力開始起主導作用，出現新的裂紋面，出現兩次裂紋擴展面交叉的情況，隨后滑板快速斷裂。

4 結論

綜合以上各項，得出某滑板斷裂的原因為：

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，應力集中程度高。

5 建議

建議滑板優先選用合適的高強度、高塑性的高強鋼材料。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的調質熱處理工藝，并嚴格控氫。

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