轮毂螺母垫片断裂失效分析

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#。

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”。

将垫圈人为打断后观察断口形貌，图7所示为人为冲击断口微观形貌，可见为准解理+韧窝形貌。

图2 开裂处断口宏观形貌

图3 裂纹源附近表面形貌

图4 断面低倍形貌

图5 断面A1 区微观形貌

图6 断面2 区微观形貌

图7

1.3 金相检验

对开裂垫圈取样进行金相观察，图8 所示为垫圈芯部金相组织，可见为均匀的回火索氏体，组织未见明显异常。

断口附近金相组织如图9 所示，可见沿主裂纹可见分支裂纹。

1.4 硬度检测

对开裂垫圈取样进行硬度检测，结果如表1 所示从试样边缘至芯部硬度梯度。根据“GB/T1172-1999 黑色金属硬度及强度换算值”将维氏硬度转换成洛氏硬度，可见垫圈芯部硬度高于技术要求上限（44HRC），试样表面存在轻微脱碳。

1.5 化学成分分析

采用电感耦合等离子发射光谱仪(ICP)和碳硫分析仪对试样进行化学成分分析，结果如表2 所示，各元素均符合“GB/T 6478-2015 冷镦和冷挤压用钢”中关于ML40Cr 钢的规定。氢含量测定结果表明，开裂件氢含量为0.9ppm。

图8 垫圈芯部金相组织

表1 硬度检测结果

2 分析和讨论

失效垫圈存在两处开裂，断面均较粗糙，并可见明显放射痕迹和原始微裂纹，放射痕迹收敛于垫圈内侧凹槽处，断面微观均可见“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”，具有氢致延迟（氢脆）断裂特征。

氢脆是由于氢渗入金属内部而产生的损伤，导致零件在低于材料屈服极限的静应力作用下断裂，它无征兆、具有突发性。零件内部的氢来源途径通常包括：原材料、热处理、表面处理（如酸洗、电镀）、环境腐蚀等几个环节，而且氢在材料内部分布并不均匀，会在材料的微观缺陷或应力较大处富集。在载荷的作用下，氢与局部应力交互作用，形成氢的局部高浓度富集。影响零件氢脆敏感性的因素主要有：含氢量、显微组织、强度、硬度及所受应力等，基体含氢量越高，强度越大，硬度越高，所受张应力越大则越容易诱发氢脆断裂。

开裂垫圈芯部金相组织、化学成分未见明显异常，硬度测试结果表明，垫圈芯部硬度约44HRC，在设计要求的上限（44HRC）。通常当零件的硬度大于32HRC 时就有氢脆倾向，氢脆敏感性较大。氢含量检测结果表明，垫圈基体内氢含量为0.9ppm。除此之外，在裂纹源附近表面观察到金属堆积现象，并且金属堆积处表面镀层完好，说明该金属堆积在垫圈压帽或其他塑性加工时产生，在垫圈安装后该部位容易引起应力集中，且应力集中部位作为氢陷阱，存在氢局部富集的可能，最终导致该处萌生微裂纹，氢原子便向裂纹尖端应力集中区扩散并聚集，使裂纹持续扩展直至垫圈开裂。

3 结论和解决方案

3.1 结论

3.1.1 垫圈断裂符合氢致延迟断裂特征；

3.1.2 导致垫圈开裂的原因为金属堆积现象加上垫圈芯部硬度过高，且基体残留一定的氢。

图9 断口附近金相组织

表2 试样化学成分分析结果（%）

3.2 解决方案

3.2.1 垫圈硬度适当降低，改产品的垫圈硬度要求偏高, 并且是80 年代引进奥地利斯太尔车桥技术，未进行修改过。查证国内外该类最新产品的技术要求，硬度值都没有这么高，建议适当降低到32-38HRC。

3.2.2 表面镀锌应采用碱性镀锌和除氢处理。或者采用磷化表面处理工艺代替镀锌表面处理。