汽车金属零部件材料的失效及失效探究

汽车金属零部件材料的失效及失效探究

王钏 罗爱娇

浙江正信车辆检测有限公司 浙江台州 317200

摘要：充分有效的应对汽车螺栓类金属零部件断裂失效问题，能够在很大程度上提升汽车的总体应用水平，保障人们的出行安全。断裂失效是汽车金属零部件失效中最常见也是危害最大的一种形式，其一旦发生，将会引起重大的经济损失和人员伤亡。本文分别概述了疲劳断裂、韧性断裂和脆性断裂，通过实际案例，对汽车金属零部件断裂失效进行质量鉴定，研究金属零部件断裂失效的特征与规律，找到断裂原因，分清事故责任。

关键词：汽车金属零部件；断裂失效；质量鉴定

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占有较大比例，因为零部件断裂失效是金属失效中危害最大的一种形式，其一旦发生，将会引起经济损失和人员伤亡等严重后果。所以对汽车金属零部件断裂失效进行质量鉴定，研究金属零部件断裂失效的特征与规律，找到断裂原因，分清事故责任，为有关部门提供行政执法的理论依据。汽车金属零部件在断裂失效时会形成一对相互匹配的断裂表面，即断口，断口总是发生在金属组织中最薄弱的地方，并忠实地记录金属断裂时的全过程，即裂纹的产生、扩展直至开裂；同时也记录着裂纹扩展的途径、扩展过程及内外因素对裂纹扩展的影响。因此，在进行零部件断裂失效分析时，断口即作为切入点，形貌特征分析，材料组织和性能检测，判断零件的受力状态以及使用环境条件等，揭示断裂失效的特征与规律，找到断裂原因，提出科学、公正的司法鉴定意见。

一、概述

螺栓类金属零部件出现断裂失效的问题，在汽车的实际运行过程中较为常见，充分分析大量的交通安全事故和质量安全事故，全面总结出一定的规律，从而寻找到切实有效的应对策略。汽车螺栓疲劳断裂是常见的零部件失效形式，以此为例进行分析和研究，具有一定的代表性。

螺栓类金属零部件出现断裂失效的问题，在汽车的实际运行过程中较为常见，充分分析大量的交通安全事故和质量安全事故，全面总结出一定的规律，从而寻找到切实有效的应对策略。

二、汽车螺栓类金属零部件断裂失效的案例

汽车螺栓断裂方式主要包括韧性断裂和疲劳断裂。

判断螺栓的断裂情况是在汽车长期运行中产生的还是生产、安装、维修、拆卸过程中造成的，需要对其进行失效分析。首先，积极开展宏观检测工作，结合失效背景、产品结构分析螺栓断口截面的整体开裂方向，有无明显的变形现象。其次，针对螺栓断口截面进行显微形貌分析，寻找断裂机理、材料缺陷等，进一步判定螺栓断裂源区、裂纹扩展区域、断裂瞬断区域。最后，结合失效背景信息，提出相应的整改措施。

螺栓韧性开裂一般发生在安装、拆卸过程中。如下图所示，由于扭力过大，导致螺栓发生扭转性断裂，断口截面呈现顺时针方向扭转。形成断裂源区、裂纹扩展区域、断裂瞬断区域。断口截面在较高倍率下通常会有韧窝形貌的存在。

螺栓韧性开裂主要由于加载的扭力过大，超出了螺栓的承载极限，或者螺栓在断裂源区处的螺纹上存在明显的缺陷。

螺栓疲劳开裂则一般是由于螺栓在汽车长期运行中产生的。如下图所示，能够看到断口处上方，结合实际运行状况，经过研究认定，这部分是向外发射疲劳弧线的中心位置，是疲劳源区。沿着疲劳源中心，裂纹扩展区域存在着一些放射状条纹，这些条纹和疲劳弧线处于垂直状态，具体呈现出了贝壳花样、海滩花样，最终在右下角形成瞬断区域。

依据疲劳区域的实际呈现状态，开展相应的原因分析，能够初步认为是汽车的启动和停止、负荷变动范围较大情况下出现的，断口表现出了明显的疲劳断口形貌特征，是疲劳断裂失效情形。

螺栓的疲劳和一般的零件疲劳一样，在交变应力的作用下，螺栓在应力集中处、材料缺陷处形成微裂纹。当材料满足不了疲劳极限时，会相应的形成裂纹源，螺栓表面和次表面小区域是裂纹源的主要产生部位。。

三、汽车螺栓类金属零部件预防措施

螺栓引发失效分析时存在各种因素，而在产品结构设计过程中，就应该提前考虑到这些因素，优化产品设计，从而大幅度降低螺栓失效的概率。

首先，要避免应力集中。防止产品结构整体设计中，导致局部应力完全集中在个别螺栓上。应是作用力分散在结合面上，使产品受力均匀，合理的分布紧固点位置。

其次，螺栓紧固时需要一定的紧固力。如果加载的力过大，超出螺栓的承受极限，会使螺栓在安装时发生损伤，减少螺栓的使用寿命。如果加载的力过小，又无法使螺栓进行有效的紧固，螺栓会形成振动、共振等状态，减少螺栓的使用寿命。

最后，螺栓的材料品质及生产工艺。螺栓的材料品质、生产工艺直接影响到螺栓的性能，减少螺栓的缺陷能有效的提高螺栓的使用寿命。

四、汽车螺栓类金属零部件断裂失效的有效技术

螺栓类金属零部件的断裂和失效问题，产生几率较大，相应产生的危害程度也较高，严重情况下，会引发特大交通伤亡事故。在分析判断汽车螺栓类金属零部件的断裂失效问题时，采用科学的鉴定技术，能够起到良好的效果。交变应力的存在，会给汽车螺栓类金属零部件出现疲劳断裂增加较大的几率，同时汽车在长时间运行之后，将会出现一定的断裂，这种疲劳断裂问题的出现，是汽车常见问题之一。通常情况下，汽车螺栓类零部件出现了疲劳断裂，其断裂应力会比静载下相关材料的 σb 要低，一些特殊情况下，甚至低于 σ0.2。疲劳断裂问题出现之前，汽车并不会出现多方面的变化，塑性变形情况更是十分少见，这是因为其本身处于低应力的脆断破坏现象，由于汽车的螺栓类金属零部件经历了长时期的疲蚀，大量的侵蚀累积，会在某一个时间段表现出来。分析疲劳断裂现象的疲劳抗力情况，主要应针对螺栓类金属材料本身特性、螺栓的形状、尺寸、使用环境以及表面质量等方面进行充分考量。众多汽车的螺栓类金属零部件断裂失效案例表明，疲劳断裂是一种十分常见的失效类型，而汽车出现这种断裂，由低应 力高周疲劳断裂因素产生的情况，占据了总体案例的70%～80%。因而，在实际开展汽车螺栓类金属零部件鉴定工作的过程中，需要重点控制好这方面的质量。在针对汽车螺栓类金属零部件进行断裂失效鉴定工作的过程中，首先，需要全方位的收集汽车实际生产制造和使用过程中的相关数据和信息，做好充分调查工作 。其次，细致观察螺栓类金属零部件的具体断裂情况，从宏观观察的角度出发，总体观测失效零部件的外观和破坏部位的形貌特征，并做好相应的记录工作。再者，要针对螺栓类金属零部件的具体材料进行充分检测，重点检测零件材料的化学成分、力学性能、金相组织及其微观断口情况，并细致分析螺栓类金属零部件失效以后的具体工作状态，主要是检测零部件的受力种类、方向等情况。最后，根据前面的检测内容，积极判断出螺栓类金属零部件的具体断裂失效方式，从而确定出相应的鉴定意见，为选择合适的处理改进策略，提供有力的数据支持 。

汽车螺栓类金属零部件断裂失效问题的存在，将会给人们的汽车使用带来一定的风险，对此，需要积极开展全方位的分析和研究工作，寻找到具体的失效产生原因，从而采取相应的解决策略和改进措施。在实际分析汽车螺栓类金属零部件断裂失效问题时，需要从宏观观察和微观检测两方面入手，运用各领域检测仪器，逐层剥丝抽茧。

参考文献：

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