差速器螺栓失效分析

01測試背景
客戶螺栓安裝于變速器箱內差速器總成上，扭矩扳手每天班前進行校準。在太原及長沙整車下線路試時發生多起螺栓斷裂失效，斷裂位置基本位于螺牙與光桿過渡區域，如圖1及表1所示，失效比例約為0.014%。
客戶將斷裂試樣委托實驗室進行分析，確認造成螺栓斷裂的真正原因。
圖1 斷裂試樣及正常樣品圖
表1 斷裂試樣信息
02樣品信息描述
客戶螺栓安裝于變速器箱內差速器總成上，單個差速器裝配12pcs螺栓，裝配扭矩145±10n·m，實際設定為145n·m。螺栓規格：12.9級，m12×26，材質scm435，硬度39~44hrc。制程：冷鐓→搓絲→熱處理→表面磷化處理。
03測試項目規范及設備信息
04測試結果
4.1|斷口表面觀察結果
對斷口形貌進行觀察，結果如圖2所示：斷裂1試樣斷口平齊，有明顯的放射線與撕裂棱存在，a為放射線的起源位置，應為裂紋源位置。
圖2 斷口形貌圖
4.2|斷口sem+eds分析
對斷裂螺栓斷口進行sem+eds分析，結果如圖3~4及表2所示：1、斷裂螺栓試樣的裂紋源位置上均存在明顯的摩擦痕跡，成分中都含有不同量的p、zn，這是表面磷化處理的特征元素，很有可能是螺栓磷化前存在微小裂紋；
2、斷裂螺栓的擴展區呈現為典型的延晶斷裂特征，同時存在著雞爪紋與孔洞，這是氫脆特征；
3、斷裂螺栓的瞬斷區呈現為準解理特征；4、斷裂螺栓為脆性斷裂失效模式，有氫脆特征。
圖3試樣表面各區微觀斷口形貌
圖4eds分析位置
表2 eds分析結果（%）
4.3|試樣切面分析
對斷裂螺栓及正常位置切面形貌觀察，結果如圖5所示：1、斷裂試樣斷口附近螺牙未發現有裂紋，斷口附近基材內部未發現有缺陷；2、正常試樣螺牙及桿部也未發現有裂紋，螺栓質量良好。
圖5 切面形貌圖
4.4|試樣金相組織分析
對起泡位置與正常位置金相組織進行分析，結果如圖6所示：芯部及牙部組織均為回火屈氏體+少量鐵素體，牙部表層未發現有脫碳層。
圖6 試樣金相組織（500×）
4.5|試樣硬度
對斷裂螺栓斷口及正常試樣牙部及芯部硬度進行測試，結果如表3所示：斷裂及正常試樣芯部硬度~430hv0.3，符合12.9級螺栓對材質硬度要求，斷裂試樣牙部硬度較芯部高，~480hv0.3，**出規格要求。
表3 維氏硬度測試結果
4.6|試樣化學成分
對斷裂螺栓的化學成分進行測試，結果如表4所示：試樣材質化學成分均符合scm435規格。
表4 化學成分測試結果（%）
05結果分析討論
通過對斷裂及正常螺栓進行分析，可以發現：螺栓成分符合scm435規格要求，正常螺桿及斷裂螺牙結構完整，未發現有裂紋等缺陷，芯部及牙部組織均為回火曲氏體+少量鐵素體，牙部表面未發現脫碳現象，但斷裂螺栓可以發現一些特征：1、裂紋源上存在摩擦痕跡及成分中存在p、zn元素（磷化特征元素），應是由于磷化處理工藝前螺栓上存在有微裂紋；2、斷口上的雞爪紋及孔洞顯示了螺栓的氫脆特征；3、芯部硬度符合12.9級螺栓硬度要求，但斷裂螺牙硬度較芯部高，**出了螺栓硬度規定，這無疑增加了螺栓的脆性。螺栓經過表面磷化處理，都有一定的氫脆傾向，本案中螺栓斷裂失效比較小，同時斷裂時間也不同，因素2應該不是造成斷裂的主因，因素1及3應是導致螺栓脆性斷裂的主因。
06結論與建議
螺栓上的微裂紋及螺牙硬度**規格應為螺栓脆性斷裂的主因；建議：1、注意螺栓加工工藝，防止出現表面微裂紋缺陷；2、磷化處理后要做好除氫工藝。
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