周海生，郭垚峰，李 珍

(富士康科技集團(tuán) 華南檢測中心，鄭州 451100)

M1.0螺絲斷裂分析

周海生，郭垚峰，李 珍

(富士康科技集團(tuán) 華南檢測中心，鄭州 451100)

M1.0螺絲在鎖緊螺釘過程中即發(fā)生斷裂失效。通過斷口形貌觀察、化學(xué)成分、金相組織觀察及維氏硬度等分析手段，對(duì)斷裂螺絲進(jìn)行檢測分析，并與扭力達(dá)標(biāo)的正常螺絲進(jìn)行對(duì)比，確定了螺絲發(fā)生斷裂失效的原因。結(jié)果表明：斷裂螺絲的心部存在成分偏析，經(jīng)熱處理后形成帶狀組織，其組織為珠光體與呈帶狀分布的鐵素體；帶狀組織的存在，使螺絲強(qiáng)度偏低，因而在小于設(shè)計(jì)要求扭力的作用下即發(fā)生斷裂失效。為避免此類失效案件的發(fā)生，應(yīng)加強(qiáng)螺絲原材料的進(jìn)料檢驗(yàn)。

螺絲；斷裂；扭斷；帶狀組織；偏析

0 引言

當(dāng)前人們的生活越來越離不開手機(jī)等各類電子產(chǎn)品，作為緊固件的小螺絲也時(shí)刻影響著其品質(zhì)。在生產(chǎn)過程中，螺絲的批量斷裂更會(huì)直接導(dǎo)致外殼等各類器件的直接報(bào)廢，造成較大損失，應(yīng)引起高度重視。目前關(guān)于汽車等交通工具上緊固件的失效報(bào)道，原因多集中于加工缺陷、熱處理異常、氫脆、疲勞等[1-4]，但關(guān)于材質(zhì)問題引起的失效報(bào)道還較少。而材料問題則多源于生產(chǎn)螺絲的原材料盤條，其加工流程為：冶煉→澆鑄→軋制→冷拔→檢驗(yàn)。制備盤條的鋼坯，在冶煉軋制過程中可能會(huì)形成夾雜物、縮孔、偏析等缺陷，這些缺陷的存在不僅會(huì)影響盤條的品質(zhì)與性能，更會(huì)導(dǎo)致以其為原材料所制造的螺絲等產(chǎn)品因材質(zhì)問題而失效。其中，偏析多為批次性問題，危害更甚。

近期，我廠出現(xiàn)一批M1.0螺絲在鎖螺釘過程中即發(fā)生斷裂的案件?，F(xiàn)場人員操作手法無誤，且該批螺絲設(shè)計(jì)要求可承受大于1.20 kgf的扭力，鎖螺釘工具(電動(dòng)螺釘?shù)?經(jīng)校驗(yàn)鎖緊力不大于0.78 kgf，也符合要求；螺絲材質(zhì)牌號(hào)為1018鋼，熱處理工藝為淬火+中溫回火，表面處理為鍍銅鍍鎳。

本研究通過對(duì)斷裂螺釘斷口形貌、化學(xué)成分、金相組織及硬度等進(jìn)行檢測分析，并與扭力達(dá)標(biāo)的正常螺絲進(jìn)行比較，對(duì)螺絲斷裂之原因進(jìn)行分析，以期為避免類似失效案件的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

對(duì)斷裂螺絲進(jìn)行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷面邊緣位置較平整，心部稍稍凸起，整體與螺絲軸線接近垂直，無明顯頸縮現(xiàn)象；斷口呈灰色，在邊緣位置可觀察到一些小亮面，斷面無銹蝕現(xiàn)象，部分位置存在磨損，見圖1。

圖1 螺絲斷口宏觀觀察Fig.1 Macroscopic observation on screw fracture

1.2 斷口微觀形貌

采用Hitchi-SU1510對(duì)斷口微觀形貌進(jìn)行分析(圖2)。如圖2a所示，斷口邊緣位置可觀察到少量二次裂紋及呈冰糖狀的晶粒，晶棱清晰，從放大照片(圖2b)中，可以觀察到晶面上存在許多由夾雜相脫落而形成的小凹坑，說明邊緣位置為沿晶脆性斷裂[5]。圖2c為斷口心部形貌，可觀察到許多細(xì)小的韌窩，從放大照片(圖2d)中，可看到部分韌窩中存在微小的夾雜物顆粒，說明螺絲心部為韌性斷裂[6]。

1.3 化學(xué)成分分析

由于螺絲較小，去除表面鍍層后，用ICP-OES與碳硫分析儀結(jié)合的方法測試斷裂螺絲的化學(xué)成分，結(jié)果表明斷裂螺絲的化學(xué)成分符合ASTM A 516-90b—2006中1018的規(guī)格要求，具體結(jié)果見表1。

1.4 金相組織分析

采用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的硝酸酒精溶液浸蝕斷裂螺絲與正常螺絲的截面試樣，進(jìn)行金相組織分析，結(jié)果見圖3。其中圖3a為斷裂螺絲的表層金相組織，為保持馬氏體位向分布的回火托氏體；從斷裂螺絲心部金相組織圖3b，可看到嚴(yán)重的帶狀組織，其心部組織為珠光體與沿軋制方向呈帶狀分布鐵素體。正常螺絲的表層金相組織為回火馬氏體(圖3c)，其心部金相組織為回火索氏體(圖3d)。斷裂螺絲與正常螺絲均可觀察到沿軋制方向分布的夾雜物。

圖2 螺絲斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of screw

表1 斷裂螺絲化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Chemical composition of fractured screw (mass fraction /%)

圖3 斷裂螺絲與正常螺絲金相組織Fig.3 Metallurgical structures of fractured and normal screws

1.5 硬度分析

采用維氏硬度計(jì)測量斷裂螺絲螺牙與心部硬度，并與正常螺絲進(jìn)行比較，結(jié)果見表2。斷裂螺絲的心部硬度僅為182HV0.3，與正常的螺絲硬度相差較大，與金相組織結(jié)果相吻合。

表2 斷裂螺絲與正常螺絲硬度Table 2 Hardness of fractured and normal screws

2 分析與討論

斷裂發(fā)生在鎖緊螺絲過程中，且鎖緊扭力小于設(shè)計(jì)要求，屬于早期斷裂失效。斷裂位置無明顯塑性變形特征，SEM形貌結(jié)果顯示斷面邊緣位置可觀察到呈冰糖狀的晶粒，為沿晶脆性斷裂，因而表面觀察時(shí)邊緣位置可觀察到一些小亮面。但邊緣沿晶斷裂位置并無撕裂棱線與微孔等氫脆特征，因而可初步排除氫致延遲斷裂的可能性。此外，斷口邊緣還存在少量二次裂紋，說明斷裂起始于表層，然后向心部擴(kuò)展。斷口心部為韌性斷裂，形貌為細(xì)小的韌窩，部分韌窩中存在微小的夾雜物顆粒，但未發(fā)現(xiàn)較大的氣孔或夾雜物存在。

組織檢測發(fā)現(xiàn)，斷裂螺絲表層組織為回火索氏體，心部存在沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體帶，存在嚴(yán)重的帶狀組織，致使螺絲強(qiáng)度偏低[7-9]，從而在擰緊螺絲過程中，在相對(duì)較小的扭力作用下，螺絲即發(fā)生斷裂失效。

帶狀組織是由鑄錠中粗大的枝晶偏析經(jīng)軋制而形成[10]。在鑄錠結(jié)晶過程中，已結(jié)晶的固相擴(kuò)散幾乎不能進(jìn)行，成分不能擴(kuò)散至均勻，而液相中溶質(zhì)碳及合金元素則可通過擴(kuò)散、對(duì)流等方式進(jìn)行混合。因而，液相前沿碳及合金元素不斷從δ相樹枝晶析出，從而導(dǎo)致先結(jié)晶析出的枝干相對(duì)碳及合金元素含量較低，而在枝干間則碳及合金元素相對(duì)富集，因而形成了化學(xué)成分分布不均勻的枝晶組織。鑄錠中粗大的枝晶組織在軋制過程中，沿軋制方向被拉長，從而會(huì)形成碳及含金元素貧瘠帶與富集帶交替堆疊的帶狀區(qū)。軋制后在冷卻過程中，碳及合金元素的貧瘠帶的過冷奧氏體穩(wěn)定性較低，會(huì)先共析出鐵素體，并將多余的碳排至兩側(cè)富集帶，最終形成鐵素體帶；而碳及合金元素富集帶的過冷奧氏體穩(wěn)定性較高，則會(huì)在其后形成珠光體帶，因而形成鐵素體帶與珠光體帶彼此交替的帶狀組織。枝晶偏析越嚴(yán)重，形成的帶狀組織也越嚴(yán)重。

存在帶狀組織的鋼件，通過熱處理可以在一定程度是促進(jìn)碳元素的均勻化，但卻無法消除合金元素的偏析。這是由于碳的均勻化溫度一般需要在950 ℃以上，而合金元素則需要1 100 ℃以上，通常低碳鋼熱處理溫度均低于950 ℃，且受帶狀組織帶寬、帶間濃度差等因素影響，故很難實(shí)現(xiàn)合金元素在奧氏體中的均勻化。在熱處理時(shí)通過快冷的方式，可使過冷奧氏體在較低的溫度下轉(zhuǎn)變，碳無法及時(shí)擴(kuò)散至富集區(qū)，從而可以改善帶狀組織的形貌，減輕帶狀組織的危害。但如果再次加熱到奧氏體化緩冷，仍會(huì)出現(xiàn)帶狀組織[12]。

此外，由于合金元素的偏析的存在，會(huì)使得奧氏體化時(shí)晶粒長大傾向不同，易出現(xiàn)混晶組織；在淬火時(shí)，合金元素貧瘠區(qū)的淬透性差，易形成非馬氏體組織。因而，存在帶狀組織的鋼件經(jīng)常規(guī)熱處理后，力學(xué)性能均較低。

為避免或改善帶狀組織的不良影響，可通過回爐重熔、增大結(jié)晶速度、增大鍛造比、提高終軋溫度等技術(shù)來實(shí)現(xiàn)[13]。

3 結(jié)論

1)螺絲斷面邊緣位置為沿晶脆性斷裂，心部為韌性斷裂。

2)導(dǎo)致螺絲斷裂的根本原因是生產(chǎn)該批螺絲的原材料中存在成分偏析，致使螺絲經(jīng)熱處理后芯部形成嚴(yán)重的帶狀組織，力學(xué)硬度強(qiáng)度偏低，因而在鎖緊螺絲時(shí)即發(fā)生斷裂失效。

3)螺絲產(chǎn)商應(yīng)加強(qiáng)原材料品質(zhì)管控，進(jìn)而保證螺絲質(zhì)量，以避免類似異常案件的再次發(fā)生。

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FractureAnalysisofM1.0Screw

ZHOU Hai-sheng，GUO Yao-feng，LI Zhen

(ChinaMeasureCenter，F(xiàn)oxconnTechnologyGroup，Zhengzhou451100，China)

M1.0 screws fractured during the process of tightening. To find out the fracture cause, a fractured screw was analyzed by means of scanning electron microscopy(SEM), chemical composition analysis, metallurgical structure examination and Vickers hardness testing. And some comparative analyses were also carried out between the fractured screw and the normal screws having passed the twist test. The results show that there was composition segregation at the core of the fractured screw, which resulted in zonal structure after heat treatment. The core metallurgical structure was pearlite and ferrite in zonal distribution. The zonal structure led the strength of the screw to decrease. As a result, the screw fractured when the test torque was lower than the designed value. The raw materials for screws should be examined to avoid such failure cases.

screw；fracture；fracture by twist；zonal structure；segregation

2017年6月9日

2017年9月23日

周海生(1988年-)，男，碩士研究生，主要從事材料檢測與失效分析等方面的研究。

TG115.21

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.011

1673-6214(2017)05-0319-04