２０１５年２月 第１０卷第１期 失效分析与预防 Ｆｅｂｒｕａｒｙ，２０１５ Ｖｏ１．１０，Ｎｏ．１ 制动器拉杆螺杆断裂分析 程琴 ，曾蓉 ，刘德林 （１．北京航空材料研究院，北京１０００９５；２．航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京１０００９５； ３．中航工业失效分析中心，北京１０００９５；４．萍乡学院材料与化学工程系，江西萍乡３３７０５５） ［摘要］车辆制动器经维修反复拆装后发现拉杆部件的螺杆发生断裂。通过断Ｉ＝１宏微观观察、金相和显微硬度检测等方 法，并根据金相检查结果进行热模拟试验，确定了４５钢制动器拉杆螺杆的断裂性质，分析了制动器拉杆螺杆断裂失效的原 因。研究结果表明：制动器拉杆螺杆的断裂性质为过载断裂，未进行调质处理导致材料强度低、韧性差，加上在服役过程中 可能受到异常的弯曲和冲击载荷复合作用，导致螺母与螺杆的交接处发生断裂。建议严格按照螺杆的热处理工艺规程，提 升螺杆的强度和韧性。 ［关键词】制动器拉杆螺杆；４５钢；过载断裂；应力集中；调质处理 ［中图分类号］ＴＧ１１５．２ ［文献标志码］Ａ ｄｏｉ：１０．３９６９／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７３－６２１４．２０１５．０１．０１０ ［文章编号］１６７３－６２１４（２０１５）Ｏ１－００４７－０４ Ｆｒａｃｔｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｎ Ｓｃｒｅｗ ｏｆ Ｂｒａｋｅ Ｄｒａｇ Ｌｉｎｋ ＣＨＥＮＧ Ｑｉｎ ， ．一，ＺＥＮＧ Ｒｏｎｇ４，ＬＩＵ Ｄｅ—ｌｉｎ ＇ ， （１．Ｂｅｒｉｎｇ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ，Ｂｅｌｉｔｎｇ １０００９５，Ｃｈｉａ；ｎ ２．Ｂｅｉｊｉｎｇ Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆＡｅｒｏｎａｕｔｉｃａｌ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ Ｅｖａｌｕａｔｉｏｎ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉａ；ｎ ３．ＡＶＩＣ Ｆａｉｌｕｒｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ Ｃｅｎｔｅｒ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００９５，Ｃｈｉｎａ； ４．Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｆＭａｔｏｅｒｉａｌｓ ａｎｄ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｐｉｎｇｘｉａｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｊｉａｎｇｘｉ Ｐｉｎｇｘｉａｎｇ，３３７０５５，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ａ ｓｃｒｅｗ ｏｆ ｔｈｅ ｂｒａｋｅ ｄｒａｇ ｌｉｎｋ ｏｆ ａ ｃａｒ ｗａｓ ｆｏｕｎｄ ｔｏ ｈａｖｅ ｂｒｏｋｅｎ ａｆｔｅｒ ｒｅｐｅａｔｅｄ ｄｉｓｍｏｕｎｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｃａｕｓｅ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ ｂｙ ｍａｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ａｎｄ ｍｉｃｒｏｓｃｏｐｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ ｏｆ ｆｒａｃｔｕｒｅ ｓｕｒｆａｃｅ，ｍｅｔｌｌａｏｇｒａｐｈｉｃ ｅｘａｍｉｎａｔｉｏｎ，ｍｉｃｍｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｉｎｇ，ａｎｄ ｔｈｅｒｍａｌ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｔｅｓｔｉｎｇ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｍｏｄｅ ｏｆ ｔｈｅ ｃｒｅｗ ｉｓ ｏｖｅｒ－ｌｏａｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ．Ｗｉｔｈｏｕｔ ｍｏｄｉｆｉｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ，ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉｌ ａａｎｄ ｔｈｅ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｗａｓ ｐｏｏｒ．Ｂｅｓｉｄｅｓ，ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｍｉｇｈｔ ｈａｖｅ ｅｘｐｅｒｉｅｎｃｅｄ ｔｈｅ ｃｏｅｆｆｅｃｔ ｏｆ ａｂｎｏｒｍａｌ ｉｍｐａｃｔ ｌｏａｄ ａｎｄ ｌｆｅｘｕｒａｌ ｌｏａｄ ｄｕｒｉｎｇ ｓｅｒｖｉｃｅ．Ａｓ ａ ｒｅｓｕｌｔ，ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ｆｒａｃｔｕｒｅｄ ａｔ ｔｈｅ ｊｏｉｎｔ ｏｆ ｎｕｔ ａｎｄ ｓｃｒｅｗ． Ｓｔｒｉｃｔ ｈｅａｔ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｓｈｏｕｌｄ ｂｅ ｃａｒｒｉｅｄ ｏｕｔ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｓｔｒｅｎｇｔｈ ａｎｄ ｔｏｕｇｈｎｅｓｓ ｏｆ ｔｈｅ ｍａｔｅｒｉａ１． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｓｃｒｅｗ ｏｆ ｂｒａｋｅ ｄｒａｇ ｌｉｎｋ；４５ ｓｔｅｅｌ；ｏｖｅｒｌｏａｄｉｎｇ ｆｒａｃｔｕｒｅ；ｓｔｒｅｓｓ ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ；ｍｏｄｉｉｆｅｄ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ 钩、螺栓、齿轮以及轴类等¨ 。 ０ 引言 随着汽车工业的发展，紧固件行业得到飞速 车辆在总装厂维修时，经反复拆装制动器及 侧减速器后发现制动器拉杆部件中的螺杆发生断 裂。该类紧固件的失效故障发生较多 引。汽车 行车制动器的作用是在行驶时使车辆减速或者停 止，保障人身和车辆的安全。制动器零部件如螺 杆的过早失效，会引起汽车故障，人力和财力损失 发展，同时对汽车紧固件要求也越来越高。４５中 碳优质碳素结构钢是生产汽车高强度紧固件的常 用原材料，该钢淬硬性较高但淬透性低，切削加工 性和力学性能较好，一般在正火状态下使用，力学 性能要求较高时可采用调质处理。具体热处理工 严重。因此，找到制动器拉杆故障原因，防止此类 事件再次发生，消除故障隐患，保证汽车及人员安 全就显得尤为重要。 艺是在完全淬透的情况下，经高温回火得到符合 要求的产品。并广泛应用于制造各种重要的结构 零件，特别是那些在交变负荷下工作的连杆、吊 【收稿日期］２０１４年１１月１４日 制动器拉杆部件中的螺杆材料为４５钢，该零 件在冷拉后按照要求需要进行调质热处理，调质 ［修订日期］２０１５年１月２２日 ［作者简介］程琴（１９８４年一），女，硕士，主要从事机械产品失效分析及金属材料损伤行为等方面的研究。 ５０ 失效分析与预防 第ｌＯ卷 显微硬度平均值为ＨＶ ２０１．０，不符合螺杆的硬度 技术要求（ＨＶ ２７０～３０２）。但热模拟试验后的螺 杆Ａ试样和Ｂ试样硬度分别为ＨＶ ２６５．３和ＨＶ ２８８．４，其中Ｂ试样符合技术要求值。 表１螺杆硬度测试结果 Ｔａｂｌｅ １ Ｈａｒｄｎｅｓｓ ｔｅｓｔｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔｓ ｏｆ ｔｈｅ ｓｃｒｅｗ ＨＶｏ ３ Ｓａｍｐｌｅ 。 Ｎｅ０ｆ黼ｌａｒ ｆｒａｅ 。 ｓ０ｆｕｒｅ ｓａｒｎＤｌｅ ａｍｐｌｅＡ 。Ａ Ｓａｍｐｌｅ Ｂ 。Ｂ Ｒｅｓｕｈｓ ２０１．０ ２６５．３ ２８８．４ ３分析与讨论 螺杆断裂起源于螺纹牙底，断口附近无明显 塑性变形，断口源区及扩展前期较平坦，最后断裂 区较粗糙，整个断面存在一定的高度差。整个断 面微观形貌呈解理特征，最后断裂区存在极少部 分的韧窝形貌。断裂螺杆的金相组织为较粗粒状 珠光体、短片状珠光体、少量的层片状珠光体和白 色块状铁素体。由以上特征判断，螺杆的断裂性 质为过载断裂。 断口宏微观观察结果表明，断裂从螺杆的牙 底一侧向另一侧扩展，不仅受轴向拉力，必然受到 弯曲载荷。另外，该螺杆安全裕度为２．０（即失效 应力与设计应力的比值减去１．０后的正数值，表 征结构强度的富余程度），在正常载荷作用下不 足以发生断裂。由此判断，螺杆可能受到异常的 弯曲和冲击载荷复合作用。 通常来说，零件发生过载断裂是指零件工作 过程中受到的应力超过材料的断裂抗力所致¨ 。 主要影响因素包括：载荷超过了零件自身的抗力， 零件所用材料自身的抗力不足 。 对于本失效案例来说，该制动器拉杆材料设 计要求需按照技术要求进行调质热处理，为（８３０ ±１０）℃淬火＋（５５０±３０）℃回火，组织应为回火 索氏体，而该螺杆主要由粒状珠光体、短片状珠光 体、少量的层片状珠光体和白色块状铁素体组成， 表明螺杆仅进行过退火处理，并未进行调质处理； 组织决定材料的力学性能，未进行调质处理也会 对材料本身的抗拉强度产生直接的影响。硬度测 试结果也表明，螺杆的硬度为ＨＶ ２０１，远低于技 术要求ＨＶ ２７０—３０２。材料的抗拉强度低，韧性 差，与技术要求规定的下限相差较大，导致螺杆承 受静载的能力明显下降，且螺杆与螺母连接处属 于应力集中处，该部位较易发生断裂失效。 通过对螺杆进行热模拟试验后，进一步确定 了断裂螺杆未经调质处理。 因此，未进行调质处理导致材料强度低，韧性 差，加上在服役过程中螺杆可能受到异常的弯曲 和冲击载荷复合作用，导致螺母与螺杆的交接处 发生断裂。要解决螺杆过早失效的问题，严格按 照螺杆的热处理工艺规程，提高螺杆的强度和韧 性，保证材料的力学性能满足设计要求。 ４ 结论 １）螺杆的断裂性质为过载断裂。 ２）未进行调质处理导致材料强度低，韧性 差，加上在服役过程中可能受到异常的弯曲和冲 击载荷复合作用，导致螺母与螺杆的交接处发生 断裂。 ３）严格按照螺杆的热处理工艺规程，提升螺 杆的强度和韧性，保证材料的力学性能满足设计 要求。 参考文献 ［１］张先鸣．我国紧固件行业热处理技术现状及展望［Ｊ］．金属 制品，２００８，３４（６）：５３—５７． ［２］浙江大学，上海机械学院，合肥工业大学．钢铁材料及其热 处理工艺［Ｍ］．上海：上海科学技术出版社，１９７８：１６—１８． ［３］李培芬，宾远红．４５钢吊环断裂失效分析［Ｊ］．理化检验：物 理分册，２０１２，４８（１０）：７０１—７０４． ［４］中国航空材料手册编辑委员会．中国航空材料手册第１分册 ［Ｍ］．北京：中国标准出版社，１９８９：３８． ［５］胡春燕，刘新灵，陈星，等．主起落架上转轴开裂原因分析 ［Ｊ］．航空学报，２０１４，３５（２）：４６１—４６８． ［６］陈礼顺，王彦岭，黄成生．某型发动机双速机匣固定螺桩脱 落分析［Ｊ］．失效分析与预防，２００６，１（４）：３Ｏ一３３． ［７］李家鼎，吴素君，史青君，等．双动滑阀螺栓断裂失效分析 ［Ｊ］．失效分析与预防，２００６，１（４）：４２—４５． ［８］潘红良，唐世华，黄五星．膨胀干燥机螺杆轴断裂失效分析 ［Ｊ］．机械工程材料，２００６，２９（１Ｏ）：５６—５９． ［９］刘昌奎，李运菊，陶春虎，等．紧固螺栓开裂原因分析［Ｊ］．机 械工程材料，２００８，３２（４）：７０—７３． ［１０］姜涛，赵旭，刘高远，等．刹车摇臂断裂失效分析［ｃ］．全国 第五届航空航天装备失效分析研讨会，２００６：５１６—５２１． ［１１］张栋，钟培道，陶春虎，等．失效分析［Ｍ］．北京：国防工业 出版社，２００４：１６９—１７０．
