摘 要:某車型裝配牽引鞍座與瓦楞連接用螺栓在安裝扭緊后的靜置調(diào)試過程中發(fā)生斷裂,通 過斷口分析、化學(xué)成分分析、氫含量分析、力學(xué)性能測試、金相檢驗等方法,對螺栓的斷裂原因進(jìn)行 了分析。結(jié)果表明,螺栓斷裂模式為氫致脆性斷裂。建議螺栓在制造過程中及時除氫。

關(guān)鍵詞:螺栓;應(yīng)力;氫脆;失效分析

中圖分類號:TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2022)05-0026-04

隨著汽車行業(yè)的飛速發(fā)展,對汽車耐腐蝕性能 的要求越來越高,車用緊固件的防腐要求也隨之提高。提高車用緊固件耐腐蝕性能的方法主要是表面處理,常見的表面處理方式有熱鍍鋅、電鍍鋅、鍍鋅 鎳、達(dá)克羅等。其中熱鍍鋅工藝具有操作簡單、費用低等優(yōu)點,是目前車用緊固件提升耐腐蝕性能的普 遍處理工藝。然而,該表面處理工藝操作不當(dāng),會容易使原材料暴露在富氫環(huán)境中,氫原子向基體中滲 透,會導(dǎo)致氫脆斷裂失效。

某公司裝配牽引鞍座與瓦楞連接用的螺栓型號 為 Q151B1645TF3,該螺栓由35CrMo鋼加工而成, 性能等級要求為10.9級,螺紋規(guī)格為 M16 mm× 1.5mm×45mm,表面處理工藝為熱鍍鋅。

近期,在螺栓安裝扭緊后,零件靜止調(diào)試過程中,發(fā)現(xiàn)多個螺栓斷裂。為了分析斷裂原因,對該批次螺 栓進(jìn)行了一系列理化檢驗及分析,并提出了建議。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

取兩個斷裂螺栓,分別編號為1 # ,2 # ;取3個 同批次未使用的完好螺栓,分別編號為3 # ,4 # ,5 # 。 試樣的宏觀形貌如圖1所示。1 # ,2 # 試樣斷裂位置 見圖1a),兩者均斷裂于螺栓根部的倒角處,其斷口 宏觀形貌分別如圖1b),1c)所示,可見斷口高低不 平,呈杯錐狀,斷面除新的銹蝕外,其余部位均為新 鮮斷口,斷面顏色為暗灰色,整個斷面比較粗糙,斷 口中心區(qū)域起伏較小,周圍基本上是由放射棱組成 的放射區(qū),局部區(qū)域放射棱略呈弧形,起伏較大,面 積也較大,最外圍為剪切唇。

1.2 斷口分析

1 # 試樣斷口微觀形貌如圖2所示。由圖2a)可 以 看出斷口表面多點起始裂紋。從圖2a)中選擇A處起裂點進(jìn)一步放大觀察[見圖2b)],并取圖2b)中 B點進(jìn)行觀察[見圖2c)];由圖2c)可見起裂區(qū)域斷 口形貌為撕裂、沿晶,未見裂紋、夾雜等缺陷。取圖 2a)中 C區(qū)(裂紋擴(kuò)展區(qū))進(jìn)行觀察[見圖2d)],可見 裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌為沿晶、撕裂及少量的二次裂 紋,在距表面大約1~3mm 內(nèi)的沿晶面上發(fā)現(xiàn)少量 撕裂棱、雞爪紋,以及部分點狀腐蝕產(chǎn)物,有氫脆傾 向。氫原子具有較小的原子半徑,容易在金屬原子 中擴(kuò)散。在緊固件加工過程中會引入氫原子,如原 材料基體長時間暴露在濕度較大的存儲過程、淬火 加熱或滲碳過程、去氧化皮處理中的酸洗過程以及 電鍍除油過程和鋅層沉積過程等環(huán)境中。氫入侵后 在零件缺陷處聚集,產(chǎn)生巨大的壓力,在零件內(nèi)部生 成微裂紋,再與施加在零件上的靜態(tài)應(yīng)力形成合力, 合力從氫聚集的裂紋處不斷向外擴(kuò)散,最終引起斷 裂[1-2]。取圖2a)中 D 區(qū)(最后斷裂區(qū)),放大觀察, 結(jié)果如圖2e)所示,可見其斷口形貌為韌窩。

1.3 化學(xué)成分分析

對1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果 如表1所示。4個試樣的化學(xué)成分分析結(jié)果均滿足 標(biāo)準(zhǔn) GB/T3077-2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對 35CrMo 鋼的要求[3-4] ;且試樣中各化學(xué)成分分析結(jié)果差異較 小,因此可排除原材料化學(xué)成分差異的影響因素。

為排查零件中的殘氫含量,選取5 # 試樣,分別 制備去鍍層及未去鍍層兩組試樣進(jìn)行氫含量分析。 去鍍 層 后 試 樣 的 氫 含 量 (質(zhì) 量 分 數(shù),下 同)約 為0.000008%,未 去 鍍 層 試 樣 的 氫 含 量 約 為 0.000011%。由于氫原子較小,極易在后續(xù)的高溫 加工(如加熱、軋制、熱處理等)過程中逸散,行業(yè)認(rèn)為 一般緊固件成品氫含量需控制在0.00001%以內(nèi)[5]。 而5 # 試樣去鍍層后的氫含量小于0.00001%,未去 鍍層試樣的氫含量大于0.00001%,表明試樣在增 加鍍層的電鍍工藝中,引入了大量的氫。

1.4 金相檢驗

取1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣心部材料進(jìn)行金相檢驗, 其中4 # 試樣的檢驗結(jié)果如圖3所示。圖3a)顯示了 零件頭部金屬流線,金屬流線頭下圓角部分流線完 整且流暢,未發(fā)現(xiàn)流線紊亂情況,可排除是由流線紊 亂導(dǎo)致的斷裂情況;1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣的全脫碳層 深度均為 0 mm,螺紋未脫碳層高度分別為 0.92, 0.92,0.87,0.92mm,斷裂螺栓外螺紋的牙形高度為 1.1mm,因此4個試樣的脫碳層均滿足標(biāo)準(zhǔn) GB/T 3098.1-2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》 中對10.9級螺栓的要求[6] ;樣品心部金相檢驗結(jié)果 表明,4個螺栓的顯微組織以回火索氏體為主,但仍 有部分板條狀馬氏體存在,組織并不均勻,這與零件 硬度和強(qiáng)度偏高的情況相符。這種情況會使螺栓的 氫脆敏感性增強(qiáng)[7]。

1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣非金屬夾雜、脫碳及顯微組織 檢驗結(jié)果如表2所示。結(jié)果表明,1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣 的非金屬夾雜、脫碳層[8]深度及顯微組織相差不大,且 均符合CVTC51058《汽車緊固件用線材技術(shù)要求》。

1.5 力學(xué)性能測試

1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試 樣 的 洛 氏 硬 度 測 試 結(jié) 果 及 3 # ,4 # ,5 # 試樣的拉伸試驗結(jié)果見如表3所示。4 個試樣的硬度差異較小,結(jié)合化學(xué)成分分析結(jié)果,可 推測來樣確為同批次螺栓。3 # ,4 # ,5 # 試樣抗拉強(qiáng) 度符合標(biāo)準(zhǔn) GB/T3098.1-2010對10.9級螺栓的 要求,拉伸試驗后的試樣宏觀形貌如圖4所示,可以 看出試樣有明顯的頸縮,證明其具有較好的塑性[9]。

2 綜合分析

1 # ,2 # 試樣斷口均為多點起裂,微觀斷口形貌中 發(fā)現(xiàn)少量撕裂棱、雞爪紋,以及部分點狀腐蝕產(chǎn)物。 1 # ,3 # ,4 # ,5 # 試樣的化學(xué)成分、硬度、非金屬夾雜及脫碳層檢測結(jié)果均差異不大,且滿足標(biāo)準(zhǔn)要求, 表明3 # ,4 # ,5 # 試樣與斷裂件為同批次試樣。試樣 顯微組織以回火索氏體為主,但仍有部分板條狀馬氏 體存在,組織并不均勻,這與零件硬度和強(qiáng)度偏高的 情況相符。而這種情況會使螺栓的氫脆敏感性增強(qiáng)。

3 # ,4 # ,5 # 試樣的抗拉強(qiáng)度均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求, 拉伸試驗后的試樣有明顯的頸縮,斷口形貌為韌窩 +二次裂紋,試樣均具有良好的韌性。

綜合以上分析,推測螺栓斷裂發(fā)生在熱處理過 程中,試樣顯微組織伴有板條狀馬氏體存在,試樣的 硬度、強(qiáng)度均存在偏高跡象,使得試樣的氫脆敏感性 提升;加上電鍍工藝過程中引入了大量的氫原子,致 使氫在試樣內(nèi)部缺陷處聚集,并產(chǎn)生巨大的壓力,產(chǎn) 生裂紋;氫產(chǎn)生的壓力與施加在螺栓上的靜態(tài)應(yīng)力 形成合力,促使氫聚集處的裂紋不斷向外擴(kuò)展,最終 引起斷裂[10]。

3 結(jié)論和建議

該螺栓發(fā)生斷裂的根本原因是在螺栓成型工藝 中引入了氫原子,而去氫工藝時長不足,導(dǎo)致去氫不 徹底,最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生氫脆斷裂。 建議規(guī)范去氫工藝:去氫溫度為(200±5)℃, 去氫工藝時長至少滿足6h;增加檢查氫脆用預(yù)載 荷試驗抽檢工序:對每批次產(chǎn)品隨機(jī)抽樣5~10個, 進(jìn)行預(yù)載荷試驗。

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<文章來源> 材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗－物理分冊>58卷>5期(pp:26-29)>