汽車(chē)用緊固件相對(duì)于普通緊固件具有更高的安全性、可靠性要求高，汽車(chē)主機(jī)廠(chǎng)通常會(huì)要求其供應(yīng)商提供的緊固件產(chǎn)品零缺陷，因?yàn)檐?chē)輛在高速運(yùn)行過(guò)程中，即使一個(gè)不起眼的螺釘斷裂也可能造成嚴(yán)重的安全事故。某型號(hào)乘用車(chē)在試車(chē)時(shí)，用于固定方向盤(pán)的螺釘發(fā)生斷裂，廠(chǎng)方要求分析斷裂原因。該螺釘為一自擠螺釘，螺紋公稱(chēng)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(yàn)
1.1斷口分析
圖1所示為斷裂螺釘斷面宏觀(guān)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(shí)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(jiàn)發(fā)散性條紋收斂于斷面右側(cè)邊緣。 
1.3 化學(xué)成分分析
采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP）對(duì)螺釘部分殘樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，其化學(xué)成分與“SAE J430-2001”標(biāo)準(zhǔn)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(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù), %）
Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)
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化學(xué)元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
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標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定 |
0.17～0.23 |
≤0.10 |
0.70～1.00 |
≤0.030 |
≤0.035 |
|
檢測(cè)值 |
0.28 |
0.06 |
0.80 |
0.016 |
0.010 |
1.2 氫含量測(cè)定
取斷裂試樣殘件和完好試樣進(jìn)行氫含量測(cè)定，據(jù)生廠(chǎng)家介紹，該批螺釘在電鍍后已經(jīng)做過(guò)200℃保溫4小時(shí)的驅(qū)氫處理，但檢測(cè)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
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試樣 |
氫含量/ ppm |
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斷裂試樣 |
12.5 |
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完好試樣 |
10.0、9.5、11.3 |
為了進(jìn)一步驗(yàn)證螺釘是否有氫脆傾向，根據(jù)GB/T 3098.17-2000進(jìn)行檢查氫脆預(yù)載荷試驗(yàn)，在保載48小時(shí)候后未發(fā)現(xiàn)螺釘斷裂，但仔細(xì)觀(guān)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(jiàn)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(wú)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(zhǔn)解理形貌，這些都是氫脆斷裂的典型特征。同時(shí)，螺釘中也檢測(cè)到了較高濃度的氫，檢查氫脆預(yù)載荷試驗(yàn)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(jī)理中比較常見(jiàn)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)致的不可逆損傷，它無(wú)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(qiáng)度、硬度及所受應(yīng)力等。鋼的含碳量越高，強(qiáng)度越大，硬度越高，所受應(yīng)力越大則氫脆敏感性就越高 [1]。在本案例中，螺釘在整個(gè)制作過(guò)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(guò)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(duì)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(huì)在材料的微觀(guān)缺陷及應(yīng)力較大處富集，頭下第一牙處，為應(yīng)力較大部位，在載荷的作用下，氫與局部應(yīng)力交互作用，在此處形成氫的局部高濃度富集（遠(yuǎn)高于所檢測(cè)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(kuò)展，最終導(dǎo)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(guò)厚是導(dǎo)致該螺釘氫脆斷裂的根本原因，建議廠(chǎng)家在不影響鍍層質(zhì)量的前提下適當(dāng)提高驅(qū)氫溫度、延長(zhǎng)保溫時(shí)間，滲碳層厚度則宜控制在標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限。
