汽車用緊固件相對于普通緊固件具有更高的安全性、可靠性要求高,汽車主機廠通常會要求其供應商提供的緊固件產(chǎn)品零缺陷,因為車輛在高速運行過程中,即使一個不起眼的螺釘斷裂也可能造成嚴重的安全事故。某型號乘用車在試車時,用于固定方向盤的螺釘發(fā)生斷裂,廠方要求分析斷裂原因。該螺釘為一自擠螺釘,螺紋公稱直徑3.5mm,材質(zhì)為SAE1022 ,表面滲碳后又經(jīng)電鍍鋅處理。
1 理化檢驗
1.1斷口分析
圖1所示為斷裂螺釘斷面宏觀形貌,該螺釘在一鎂合金被連接部件上自攻螺紋安裝,發(fā)現(xiàn)時螺釘頭部已掉落丟失,圖中所示為還未取出的斷裂殘件,其斷口平齊,隱約可見發(fā)散性條紋收斂于斷面右側(cè)邊緣。
1.3 化學成分分析
采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法(ICP)對螺釘部分殘樣進行化學成分分析,結(jié)果如表1所示,其化學成分與“SAE J430-2001”標準中1022鋼的要求相比,碳含量偏高,這可能是由于螺釘表面滲碳的緣故。
表1 斷裂螺釘化學成分(質(zhì)量分數(shù), %)
Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)
化學元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
標準規(guī)定 |
0.17~0.23 |
≤0.10 |
0.70~1.00 |
≤0.030 |
≤0.035 |
檢測值 |
0.28 |
0.06 |
0.80 |
0.016 |
0.010 |
1.2 氫含量測定
取斷裂試樣殘件和完好試樣進行氫含量測定,據(jù)生廠家介紹,該批螺釘在電鍍后已經(jīng)做過200℃保溫4小時的驅(qū)氫處理,但檢測結(jié)果顯示,該批螺釘氫含量仍處于較高水平。
表2 螺釘氫含量
Tab.2 Hydrogen content of the screws
試樣 |
氫含量/ ppm |
斷裂試樣 |
12.5 |
完好試樣 |
10.0、9.5、11.3 |
為了進一步驗證螺釘是否有氫脆傾向,根據(jù)GB/T 3098.17-2000進行檢查氫脆預載荷試驗,在保載48小時候后未發(fā)現(xiàn)螺釘斷裂,但仔細觀察后發(fā)現(xiàn),多處螺紋部位已斷裂或產(chǎn)生裂紋,如圖7(a)所示。將螺紋斷裂面放大后可見其斷口為沿晶斷裂形貌,晶間有二次裂紋,晶面上有大量雞爪形撕裂痕,為典型的氫脆斷口形貌,如圖7(b)所示。
2.綜合分析
以上分析結(jié)果表明,螺栓斷口平齊,無明顯塑性變形,斷口邊緣為冰糖狀沿晶形貌,晶面上有大量雞爪形撕裂紋;芯部為準解理形貌,這些都是氫脆斷裂的典型特征。同時,螺釘中也檢測到了較高濃度的氫,檢查氫脆預載荷試驗結(jié)果也表明螺釘滲碳層是氫脆敏感區(qū)。
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力作用下導致的失效。它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導致的不可逆損傷,它無征兆,具有突發(fā)性,因此,氫脆斷裂具有極大的破壞性。影響氫脆的因素主要有:鋼的含碳量、顯微組織、鋼的強度、硬度及所受應力等。鋼的含碳量越高,強度越大,硬度越高,所受應力越大則氫脆敏感性就越高 [1]。在本案例中,螺釘在整個制作過程中經(jīng)歷了電鍍工藝,致使氫滲入螺釘表層,雖然在電鍍后經(jīng)過驅(qū)氫處理,但螺釘中的氫含量仍處于較高水平,這可能是由于表面鍍層對內(nèi)部氫的逸出起到了一定的阻礙作用[2,3]。由于氫在材料內(nèi)部分布并不均勻,會在材料的微觀缺陷及應力較大處富集,頭下第一牙處,為應力較大部位,在載荷的作用下,氫與局部應力交互作用,在此處形成氫的局部高濃度富集(遠高于所檢測的平均氫濃度);而且螺釘表層經(jīng)滲碳淬火后的高碳、高硬度組織具有較高的氫脆敏感性,致使氫致裂紋在滲碳層萌生并向內(nèi)擴展,最終導致螺釘斷裂。
3.結(jié)論
該螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)是氫致延遲斷裂,裂紋起源于滲碳層,驅(qū)氫不充分和滲碳層過厚是導致該螺釘氫脆斷裂的根本原因,建議廠家在不影響鍍層質(zhì)量的前提下適當提高驅(qū)氫溫度、延長保溫時間,滲碳層厚度則宜控制在標準規(guī)定的下限。