摘 要:某车型装配牵引鞍座与瓦楞连接用螺栓在安装扭紧后的静置调试过程中发生断裂,通 过断口分析、化学成分分析、氢含量分析、力学性能测试、金相检验等方法,对螺栓的断裂原因进行 了分析。结果表明,螺栓断裂模式为氢致脆性断裂。建议螺栓在制造过程中及时除氢。 

关键词:螺栓;应力;氢脆;失效分析 

中图分类号:TG115.2                                                       文献标志码:B                                       文章编号:1001-4012(2022)05-0026-04

随着汽车行业的飞速发展,对汽车耐腐蚀性能 的要求越来越高,车用紧固件的防腐要求也随之提高。提高车用紧固件耐腐蚀性能的方法主要是表面处理,常见的表面处理方式有热镀锌、电镀锌、镀锌 镍、达克罗等。其中热镀锌工艺具有操作简单、费用低等优点,是目前车用紧固件提升耐腐蚀性能的普 遍处理工艺。然而,该表面处理工艺操作不当,会容易使原材料暴露在富氢环境中,氢原子向基体中渗 透,会导致氢脆断裂失效。 

某公司装配牵引鞍座与瓦楞连接用的螺栓型号 为 Q151B1645TF3,该螺栓由35CrMo钢加工而成, 性能等级要求为10.9级,螺纹规格为 M16 mm× 1.5mm×45mm,表面处理工艺为热镀锌。 

近期,在螺栓安装扭紧后,零件静止调试过程中,发现多个螺栓断裂。为了分析断裂原因,对该批次螺 栓进行了一系列理化检验及分析,并提出了建议。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

取两个断裂螺栓,分别编号为1 # ,2 # ;取3个 同批次未使用的完好螺栓,分别编号为3 # ,4 # ,5 # 。 试样的宏观形貌如图1所示。1 # ,2 # 试样断裂位置 见图1a),两者均断裂于螺栓根部的倒角处,其断口 宏观形貌分别如图1b),1c)所示,可见断口高低不 平,呈杯锥状,断面除新的锈蚀外,其余部位均为新 鲜断口,断面颜色为暗灰色,整个断面比较粗糙,断 口中心区域起伏较小,周围基本上是由放射棱组成 的放射区,局部区域放射棱略呈弧形,起伏较大,面 积也较大,最外围为剪切唇。

1.2 断口分析 

1 # 试样断口微观形貌如图2所示。由图2a)可 以 看出断口表面多点起始裂纹。从图2a)中选择A处起裂点进一步放大观察[见图2b)],并取图2b)中 B点进行观察[见图2c)];由图2c)可见起裂区域断 口形貌为撕裂、沿晶,未见裂纹、夹杂等缺陷。取图 2a)中 C区(裂纹扩展区)进行观察[见图2d)],可见 裂纹扩展区断口形貌为沿晶、撕裂及少量的二次裂 纹,在距表面大约1~3mm 内的沿晶面上发现少量 撕裂棱、鸡爪纹,以及部分点状腐蚀产物,有氢脆倾 向。氢原子具有较小的原子半径,容易在金属原子 中扩散。在紧固件加工过程中会引入氢原子,如原 材料基体长时间暴露在湿度较大的存储过程、淬火 加热或渗碳过程、去氧化皮处理中的酸洗过程以及 电镀除油过程和锌层沉积过程等环境中。氢入侵后 在零件缺陷处聚集,产生巨大的压力,在零件内部生 成微裂纹,再与施加在零件上的静态应力形成合力, 合力从氢聚集的裂纹处不断向外扩散,最终引起断 裂[1-2]。取图2a)中 D 区(最后断裂区),放大观察, 结果如图2e)所示,可见其断口形貌为韧窝。 

1.3 化学成分分析 

对1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样进行化学成分分析,结果 如表1所示。4个试样的化学成分分析结果均满足 标准 GB/T3077-2015 《合金结构钢》对 35CrMo 钢的要求[3-4] ;且试样中各化学成分分析结果差异较 小,因此可排除原材料化学成分差异的影响因素。 

为排查零件中的残氢含量,选取5 # 试样,分别 制备去镀层及未去镀层两组试样进行氢含量分析。 去镀 层 后 试 样 的 氢 含 量 (质 量 分 数,下 同)约 为0.000008%,未 去 镀 层 试 样 的 氢 含 量 约 为 0.000011%。由于氢原子较小,极易在后续的高温 加工(如加热、轧制、热处理等)过程中逸散,行业认为 一般紧固件成品氢含量需控制在0.00001%以内[5]。 而5 # 试样去镀层后的氢含量小于0.00001%,未去 镀层试样的氢含量大于0.00001%,表明试样在增 加镀层的电镀工艺中,引入了大量的氢。

1.4 金相检验 

取1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样心部材料进行金相检验, 其中4 # 试样的检验结果如图3所示。图3a)显示了 零件头部金属流线,金属流线头下圆角部分流线完 整且流畅,未发现流线紊乱情况,可排除是由流线紊 乱导致的断裂情况;1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样的全脱碳层 深度均为 0 mm,螺纹未脱碳层高度分别为 0.92, 0.92,0.87,0.92mm,断裂螺栓外螺纹的牙形高度为 1.1mm,因此4个试样的脱碳层均满足标准 GB/T 3098.1-2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》 中对10.9级螺栓的要求[6] ;样品心部金相检验结果 表明,4个螺栓的显微组织以回火索氏体为主,但仍 有部分板条状马氏体存在,组织并不均匀,这与零件 硬度和强度偏高的情况相符。这种情况会使螺栓的 氢脆敏感性增强[7]。

1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样非金属夹杂、脱碳及显微组织 检验结果如表2所示。结果表明,1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样 的非金属夹杂、脱碳层[8]深度及显微组织相差不大,且 均符合CVTC51058《汽车紧固件用线材技术要求》。 

1.5 力学性能测试 

1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试 样 的 洛 氏 硬 度 测 试 结 果 及 3 # ,4 # ,5 # 试样的拉伸试验结果见如表3所示。4 个试样的硬度差异较小,结合化学成分分析结果,可 推测来样确为同批次螺栓。3 # ,4 # ,5 # 试样抗拉强 度符合标准 GB/T3098.1-2010对10.9级螺栓的 要求,拉伸试验后的试样宏观形貌如图4所示,可以 看出试样有明显的颈缩,证明其具有较好的塑性[9]。

2 综合分析 

1 # ,2 # 试样断口均为多点起裂,微观断口形貌中 发现少量撕裂棱、鸡爪纹,以及部分点状腐蚀产物。 1 # ,3 # ,4 # ,5 # 试样的化学成分、硬度、非金属夹杂及脱碳层检测结果均差异不大,且满足标准要求, 表明3 # ,4 # ,5 # 试样与断裂件为同批次试样。试样 显微组织以回火索氏体为主,但仍有部分板条状马氏 体存在,组织并不均匀,这与零件硬度和强度偏高的 情况相符。而这种情况会使螺栓的氢脆敏感性增强。 

3 # ,4 # ,5 # 试样的抗拉强度均满足标准要求, 拉伸试验后的试样有明显的颈缩,断口形貌为韧窝 +二次裂纹,试样均具有良好的韧性。 

综合以上分析,推测螺栓断裂发生在热处理过 程中,试样显微组织伴有板条状马氏体存在,试样的 硬度、强度均存在偏高迹象,使得试样的氢脆敏感性 提升;加上电镀工艺过程中引入了大量的氢原子,致 使氢在试样内部缺陷处聚集,并产生巨大的压力,产 生裂纹;氢产生的压力与施加在螺栓上的静态应力 形成合力,促使氢聚集处的裂纹不断向外扩展,最终 引起断裂[10]。 

3 结论和建议 

该螺栓发生断裂的根本原因是在螺栓成型工艺 中引入了氢原子,而去氢工艺时长不足,导致去氢不 彻底,最终导致螺栓发生氢脆断裂。 建议规范去氢工艺:去氢温度为(200±5)℃, 去氢工艺时长至少满足6h;增加检查氢脆用预载 荷试验抽检工序:对每批次产品随机抽样5~10个, 进行预载荷试验。

参考文献:

[1] 赵杨,邹骏.火箭发动机壳体开裂原因[J].理化检验 (物理分册),2021,57(1):46-49. 

[2] 尹谢平,吴传潇,蒋锡军,等.高压气瓶用34CrMo4钢 的抗氢脆性能及影响因素[J].机械工程材料,2018, 42(1):23-27.

[3] 韩克甲,赵晓辉,李洪伟.35CrMo钢高强螺栓断裂失 效分析[J].理化检验(物理分册),2017,53(6):434- 436. 

[4] 祝彬,徐鸿昊,张全新.50Cr钢轴加工时断裂的原因 [J].理化检验(物理分册),2020,56(9):61-63. 

[5] 丁有元,张维,李成涛,等.40CrNiMoA 高强钢氢脆敏 感性和氢含量的关系[J].腐蚀与防护,2017,38(7): 547-550. 

[6] 李玮,倪红芳.某阀门盖不锈钢螺栓失效分析[J].化 工装备技术,2017,38(6):21-24. 

[7] 燕样样.钢材相似显微组织的分析与鉴别[J].理化检 验(物理分册),2012,48(6):390-393. 

[8] 李慧,邢建伟,张敬彤,等.几种常用的脱碳层深度测 定方法[J].理 化 检 验 (物 理 分 册),2015,51(1):37- 39. 

[9] 于海华,严海燕,张敬彤,等.30CrMnSiA 钢沉头螺栓 断裂失 效 分 析 [J].金 属 热 处 理,2021,46(3):223- 228. 

[10] 高祥,滕全全,郑 自 芹,等.40Cr盘 毂 裂 纹 失 效 分 析 [J].兵器材料科学与工程,2018,41(6):104-107.

<文章来源>   材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 58卷 > 5期 (pp:26-29)>