自擠螺釘斷裂失效分析

自擠螺釘規(guī)格為40×12-Z，材質(zhì)為SAE1022，表面滲碳處理，滲碳層厚度要求0.05~0.18mm ，表面電鍍藍白鋅。

用于固定汽車方向盤某部件，裝配完成交付時，發(fā)現(xiàn)螺釘斷裂，頭部脫落。

取斷裂螺釘一件及部分完好螺釘進行分析，斷裂螺釘和完好螺釘?shù)暮暧^形貌，見圖12-34。

（1）螺釘宏觀檢查

螺釘斷裂位置位于頭下第一牙，為應(yīng)力最大處，表面未發(fā)現(xiàn)可見缺陷；斷口未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷，見圖12-35所示。

圖12-34 斷裂與未斷螺釘宏觀形貌       圖12-35 斷裂螺釘斷面宏觀形貌

（2）掃描電鏡斷口檢查

斷口掃描電鏡低倍檢查，斷口平齊，無宏觀塑性變形，見圖12-36。

圖12-36 斷口宏觀形貌

斷口掃描電鏡微觀檢查，斷口邊緣與心部的微觀形貌不相同，斷口邊緣為典型的冰糖狀沿晶斷口，并有晶間二次裂紋，放大后可見晶面上有明顯雞爪痕，見圖12-37、圖12-38。

螺釘心部斷口形貌，表現(xiàn)為準(zhǔn)解理斷裂特征，見圖12-39。

（3）材質(zhì)成分化學(xué)分析

采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP）對螺釘進行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果，螺釘基體材料符合《SAE J430-2001》標(biāo)準(zhǔn)中SAE1022鋼的要求。

（4） 氫含量測定

取斷裂試樣殘件和完好試樣進行氫含量測定，測定結(jié)果：斷裂件氫含量11.5 ppm；完好件氫含量4.2 ppm。

   圖12-37  斷口微觀冰糖狀形貌            圖12-38  晶面上有明顯雞爪痕

圖12-39  斷口心部微觀形貌

（5）金相檢查

    對螺釘進行金相檢查，螺釘牙底有折疊缺陷，位置大致位于每個牙底的相同部位，但斷口并不位于折疊處。另外，在隨機挑選的一件完好螺釘上也發(fā)現(xiàn)了同樣的折疊，且折疊開口處均有鍍層，推測該折疊是由搓絲板上的缺陷所造成，見圖12-40所示。

圖12-40 螺釘表面折疊缺陷

將斷裂螺釘沿軸向剖開制成金相試樣，用4%硝酸酒精溶液腐蝕，可見其組織為索氏體，無明顯夾雜偏析等缺陷，見圖12-41。

螺釘表面有滲碳層組織，可見螺紋部位已完全滲碳，牙底處滲碳層厚度大約為0.25mm，見圖12-42。

圖12-41 螺釘心部金相組織              圖12-42  螺釘表面滲碳層組織

（6）滲碳層硬度法確定滲碳層厚度

采用硬度法確定滲碳層厚度，根據(jù)《GB/T 3098.5-2000》標(biāo)準(zhǔn)中滲碳層厚度仲裁試驗—硬度法進行測試，以超過心部實際硬度30HV處開始計算滲碳層厚度，以心部實際硬度350HV10為依據(jù)，滲碳層厚度為0.22mm，高于技術(shù)指標(biāo)要求的最大值0.18mm，試驗結(jié)果如圖12-43所示。

圖12-43  滲碳層厚度測試

（7）氫脆試驗

為驗證螺釘氫脆傾向，根據(jù)《GB/T 3098.17-2000》進行氫脆預(yù)載荷試驗。螺釘經(jīng)保載48h預(yù)載荷試驗后檢查，未發(fā)現(xiàn)螺釘斷裂，但多處螺紋部位已開裂，如圖12-44。

對預(yù)載荷試驗后已開裂的螺釘進行檢查：

開裂的斷口掃描電鏡觀察，高倍可見斷口為沿晶斷裂形式，有二次裂紋，有明顯雞爪痕，如圖12-45所示。

圖12-44螺釘開裂宏觀形貌                  圖12-45開裂斷口微觀形貌  

10.9級螺栓（釘）的氫含量在10.0ppm以上，在應(yīng)力作用下就會產(chǎn)生氫致裂紋，引起氫脆斷裂，螺栓（釘）氫含量越高，越容易引發(fā)氫致裂紋。

該斷裂螺釘?shù)臄嗫谄烬R，斷口近表面滲碳層區(qū)域微觀形貌以冰糖狀沿晶斷裂為主，晶面上有大量雞爪形撕裂紋；心部為準(zhǔn)解理形貌，這些都是氫脆斷裂的典型特征。預(yù)載荷試驗也表明螺釘滲碳層是氫脆敏感區(qū)域。

鋼的強度越高，所受應(yīng)力越大則氫脆敏感性就越高。氫脆斷裂是緊固件產(chǎn)品失效機理中比較常見的一種，是零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下導(dǎo)致的失效。它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致的損傷，它無征兆，具有突發(fā)性，因此，氫脆斷裂具有極大的破壞性。

該批螺釘在制作過程中經(jīng)歷酸洗電鍍工藝，致使氫進入其中，電鍍后沒有除氫或除氫不徹底，使螺釘?shù)臍浜枯^多。在載荷的作用下，氫含量較多的螺釘，其應(yīng)力較大部位的頭下第一牙處，容易形成氫的局部高濃度偏聚，氫致裂紋萌生并向內(nèi)擴展，最終導(dǎo)致螺釘斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)是氫致延遲斷裂；

（2）滲碳螺釘電鍍后要及時除氫，除氫溫度、時間要滿足除氫工藝要求。