師利芳, 劉正虎,2, 周 林

(1.上海汽車集團股份有限公司 商用車技術中心, 上海 200438； 2.上海理工大學 機械工程學院, 上海 200093)

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，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×1.5 mm×45 mm，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。

圖1 試樣宏觀形貌

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處起裂點進一步放大觀察[見圖2b)]，并取圖2b)中B點進行觀察[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)(裂紋擴展區(qū))進行觀察[見圖2d)]，可見裂紋擴展區(qū)斷口形貌為沿晶、撕裂及少量的二次裂紋，在距表面大約1～3 mm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)應力形成合力，合力從氫聚集的裂紋處不斷向外擴散，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。

圖2 1#試樣斷口微觀形貌

1.3 化學成分分析

對1#，3#，4#，5#試樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。4個試樣的化學成分分析結(jié)果均滿足標準GB/T 3077-2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》對35CrMo鋼的要求[3-4]；且試樣中各化學成分分析結(jié)果差異較小，因此可排除原材料化學成分差異的影響因素。

表1 試樣化學成分 %

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0.000 008%，未去鍍層試樣的氫含量約為0.000 011%。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)認為一般緊固件成品氫含量需控制在0.000 01%以內(nèi)[5]。而5#試樣去鍍層后的氫含量小于0.000 01%，未去鍍層試樣的氫含量大于0.000 01%，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0.92，0.92，0.87，0.92 mm，斷裂螺栓外螺紋的牙形高度為1.1 mm，因此4個試樣的脫碳層均滿足標準GB/T 3098.1-2010 《緊固件機械性能 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，這與零件硬度和強度偏高的情況相符。這種情況會使螺栓的氫脆敏感性增強[7]。

圖3 4#試樣金相檢驗結(jié)果

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CVTC 51058 《汽車緊固件用線材技術要求》。

表2 試樣金相檢驗結(jié)果

1.5 力學性能測試

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#試樣抗拉強度符合標準GB/T 3098.1-2010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]。

表3 試樣力學性能測試結(jié)果

圖4 3#，4#，5#試樣拉伸試驗后宏觀形貌

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，且滿足標準要求，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。

3#，4#，5#試樣的抗拉強度均滿足標準要求，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)應力形成合力，促使氫聚集處的裂紋不斷向外擴展，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，導致去氫不徹底，最終導致螺栓發(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6 h；增加檢查氫脆用預載荷試驗抽檢工序：對每批次產(chǎn)品隨機抽樣5～10個，進行預載荷試驗。