摘要：汽車發(fā)動機缸蓋水套絲堵在裝配過程中發(fā)生頭部斷裂，通過化學成份分析、硬度檢查、金相分析和電鏡掃描分析，結果表明水套絲堵金相組織中存在嚴重的帶狀組織和B類夾雜物，導致水套絲堵裝配時受裝配扭力作用產(chǎn)生斷裂。研究發(fā)現(xiàn)，對水套絲堵鋼材采用等溫正火工藝或“高溫固溶+球化”工藝，細化帶狀組織，同時對鋼材選擇合適的精煉渣，對夾雜物進行控制，可避免零件應力集中產(chǎn)生的裝配斷裂。

關鍵詞：水套絲堵;斷裂;高溫固溶+球化;應力集中;夾雜物

中圖分類號：U464.1

文獻標識碼：A

0引言

水套的作用是將發(fā)動機燃燒室和缸體內(nèi)壁的溫度通過熱傳導將熱能轉(zhuǎn)移到冷卻液。冷卻液在水泵作用下循環(huán)到散熱器，由散熱器通過外界空氣的流動而散熱，降溫后的冷卻液再循環(huán)到發(fā)動機水套接收發(fā)動機工作時產(chǎn)生的熱量，如此循環(huán)。而水套絲堵的作用就是將水套加工孔進行密封，確保發(fā)動缸蓋中的冷卻液在循環(huán)過程中不產(chǎn)生泄露。

某汽車主機廠在發(fā)動機缸蓋上裝配水套絲堵時發(fā)生頂部剝離斷裂（圖1）。該水套絲堵為螺栓結構，規(guī)格為M22×1.5×13.5，材質(zhì)為10A（碳素鋼，含碳0.08%～0.13%），熱軋線材，經(jīng)小變形量冷拉改制處理。為此，對這批水套絲堵進行了檢驗與分析。

1斷裂水套絲堵宏觀分析

水套絲堵斷面與軸線垂直，斷口沿頸部及內(nèi)六角壁發(fā)展，未見變形現(xiàn)象，斷口呈平滑細瓷狀，并伴有層狀剝離的平面。根據(jù)絲堵斷面的低倍形貌，呈“河流花樣”。河流花樣中的每條支流都對應著一個不同高度相互平行的解理面之間的臺階。根據(jù)斷口宏觀形貌分析，為典型的解理斷口。初步分析，螺栓頭部冷變形過大產(chǎn)生內(nèi)應力聚集，達到一定條件下受拉應力作用，而沿某些特定的結晶學平面發(fā)生分離。

2化學成份分析

按照GB/T4336-2016《碳素鋼和中低合金鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》的檢測要求，利用牛津火花光譜儀FMP44p0035對斷裂的水套絲堵進行化學成分分析（表1）。根據(jù)分析結果可知，水套絲堵的化學成分符合Q/BQ517-2018標準中對10A鋼的要求。用洛氏硬度計對斷裂水套絲堵硬度進行測試，亦符合標準。

3金相檢測

3.1同批次水套絲堵金相檢測

將斷裂水套絲堵沿軸線方向切開，將斷面分為6個區(qū)域，分別針對不同的區(qū)域進行金相檢測（圖2）。經(jīng)檢查可以發(fā)現(xiàn)，斷面基本沿變形鐵素體晶粒的晶界發(fā)展，而與原始珠光體流線垂直。1區(qū)在垂直斷面區(qū)，開裂基本沿以上金屬流線，并與晶界相關發(fā)展（圖3）。4區(qū)因冷成型作用縱向帶狀組織嚴重被壓縮[1]，存在組織層疊交錯（圖4）。零件材料未變形區(qū)5區(qū)和6區(qū)存在較嚴重帶狀珠光體組織（圖5）。2區(qū)和3區(qū)為因冷成型作用帶狀組織被橫向壓縮密集（圖6）。

3.2其他批次水套絲堵金相檢測

對其他批次未發(fā)生斷裂的水套絲堵做金相檢測，可以發(fā)現(xiàn)未變形區(qū)5區(qū)和6區(qū)存在的帶狀珠光體組織，比斷裂批次水套絲堵中的較輕（圖7）。按照GB/T34474.1-2017《鋼中帶狀組織的評定第1部分：標準評級圖法》，未斷裂批次零件的帶狀組織評定為3級，而斷裂批次的帶狀組織可評定為5級。

3.3金屬流線分析

對同批次斷裂水套絲堵做金屬流線分析。低倍下可見頭部呈梯形，金屬流線沿梯形輪廓均勻分布，在底部轉(zhuǎn)彎，底層斷面沿流線發(fā)展（圖8）?？梢娏骶€與零件的幾何形狀相符合，流線分布正常。在垂直斷面區(qū)，開裂基本沿金屬流線。

3.4斷口掃描分析

將斷面分為A、B、C、D、E五個區(qū)域，用電子顯微鏡進一步掃描（圖9）。圖10所示為A區(qū)低倍形貌，該A區(qū)域為斷裂起始區(qū)，斷面平整。斷口內(nèi)部可見明顯的解理形貌，并伴有500μm長的B類夾雜物。按照GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，夾雜物評級為2.5級。

B區(qū)斷口形貌與C、D、E區(qū)一致，斷口之中清晰可見的解理形貌便是裂紋擴展區(qū)，同頭桿連接處臨近且清晰可見的便是韌窩形貌，為終擰區(qū)（圖11）。

4分析與討論

（1）對同批次零件流線分析可看到，頭部未見有流線不順、冷鐓折疊等常見導致零件頸部斷頭的缺陷。因此，該失效件開裂不是從外緣起始或頭部支撐面R角處開裂。（2）對失效的水套絲堵進行化學成分、硬度分析，未見異常。（3）由金相分析可推斷，該批次零件帶狀組織評定為5級，

較未斷裂批次零件嚴重。由于鋼液在鑄錠結晶過程中選擇性結晶，形成化學成分呈不均勻分布的枝晶組織。鑄錠中的粗大枝晶在軋制時沿變形方向被拉長，并逐漸與變形方向一致，從而形成碳及合金元素的貧化帶（實質(zhì)上是條）和貧化帶彼此交替堆疊。

在緩冷條件下，先在碳及合金元素貧化帶（過冷奧氏體穩(wěn)定性較低）析出先共析鐵素體，將多余的碳排入兩側的富化帶，最終形成以鐵素體為主的帶。而碳及合金元素富化帶（過冷奧氏體穩(wěn)定性較高）在其后形成以珠光體為主的帶。而以鐵素體為主的帶與以珠光體為主的帶彼此交替，形成了帶狀組織。

成分偏析越嚴重，形成的帶狀組織也越嚴重。由于帶狀組織相鄰帶的顯微組織不同，它們的性能也不相同，在外力作用下性能低的帶易暴露出來。而且強弱帶之間會產(chǎn)生應力集中，因而造成了總體力學性能降低，并具有明顯的各向異性。

（4）使用電子顯微鏡對斷口掃描，發(fā)現(xiàn)斷裂起始區(qū)伴有長度約500μm長的B類夾雜物。夾雜物中元素的不均勻性與化合物的組成問題，是鋼中存在夾雜物的主要形式，對鋼結構有著嚴重的危害。

鋼中存在的多種夾雜物的元素及其反應生成的化合物體系中，會產(chǎn)生各種不同比例的化合物，有些化合物分子有缺陷而不完整。像鋼中O與Ai、Si、Cr、Mn和Fe等元素反應，可形成Al2O3、SiO2、Cr2O3、MnO、Fe2O3和FeO等氧化物以及FeO·Cr2O3等復雜氧化物夾雜。鋼中氧化物和硅酸鹽的存在，破壞了鋼基體的連續(xù)性并導致了應力集中，從而降低了鋼的塑性、韌性和抗疲勞性能。一方面增強鋼的力學性能的方向性使橫向性能惡化;另一方面使鋼的切削加工性能下降，而且很難拋光。一些鋼材的表面的翻皮、結疤、凹凸不平以及裂紋等缺陷均與鋼中的非金屬夾雜物有關，其主要是SiO2·FeO·Al2O3以及鈦的氧化物和氮化物。

（5）對于該失效件來說，因材料變形過程中內(nèi)部存在應力分布，剛好在應力集中位置存在較嚴重的帶狀組織并伴隨著夾雜物的出現(xiàn)，從而形成微裂紋，只有在這多重因素交加的情況下才導致該水套絲堵在擰緊過程中受力斷裂。

5解決措施

（1）通過合理的熱處理能有效減輕帶狀組織的級別。鋼在退火過程中，由于隨爐冷卻，使先共析鐵素體析出充分，加重帶狀組織級別。在正火過程中，冷卻較快，可以減輕帶狀組織。

（2）采用等溫正火工藝可有效抑制帶狀組織的產(chǎn)生。將鋼材加熱到Ac3或Acm以上30～50°C，保溫一段時間，快速冷卻到珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)的某一溫度，然后進行保溫，使其完成鐵素體和珠光體的均勻轉(zhuǎn)變，隨后在空氣中進行冷卻。另外，采用“高溫固溶+球化”工藝將鋼材加熱到Ac3以上160～200°C，通過較高的溫度保溫，得到成分均勻的單相奧氏體;之后極快冷卻到馬氏體的轉(zhuǎn)變溫度區(qū)域抑制鐵素體的先析出，然后進行等溫正火的處理，最終細化帶狀組織。

（3）選擇合適的精煉渣。精煉渣的主要作用是脫氧、脫硫、保溫和吸收鋼中的夾雜物。高Al2O3、高堿度的精煉爐頂渣，通過渣-鋼反應促進鋼中生成較低熔點的非金屬夾雜物，有利于改善鋼材的疲勞性能。

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作者簡介：

范奇達，本科，工程師，研究方向為新材料、新工藝、新標準的開發(fā)與研究，主導汽車螺紋緊固件的裝配試驗開發(fā)和螺紋緊固件的失效分析。