李朝輝, 蓋躍華

(深圳市公標(biāo)知識(shí)產(chǎn)權(quán)鑒定評(píng)估中心 質(zhì)量技術(shù)監(jiān)督評(píng)價(jià)事務(wù)所, 深圳 518000)

某型汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)中的前制軟管螺栓發(fā)生斷裂。斷裂螺栓的材料為45鋼,規(guī)格為M8,其生產(chǎn)工藝流程為:φ10 mm圓棒退火處理→冷鐓成形→熱處理→電鍍前成品抽檢→除油→低濃度酸清洗→清洗→鍍鋅→清洗出光→鈍化清洗→瀝水→進(jìn)烘道烘干→成品檢驗(yàn)。

筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)試等方法分析了螺栓斷裂的原因,以防止該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

對(duì)3個(gè)螺栓進(jìn)行試驗(yàn)分析,分別編號(hào)為1號(hào)、2號(hào)和3號(hào)。1號(hào)螺栓為發(fā)生完全斷裂的螺栓;2號(hào)螺栓為未安裝、無(wú)裂紋的成品螺栓;3號(hào)螺栓為經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理的螺栓。3個(gè)螺栓的宏觀形貌如圖1所示,由圖1可知:1號(hào)螺栓的斷裂位置為螺栓根部,2號(hào)和3號(hào)螺栓是未使用的螺栓。

圖1 3個(gè)螺栓的宏觀形貌

圖2為1號(hào)螺栓螺帽和螺桿斷口宏觀形貌,由圖2可知:裂紋從螺栓根部邊緣由外向內(nèi)擴(kuò)展,螺紋根部未見(jiàn)明顯的變形和剪切唇,說(shuō)明螺栓發(fā)生脆性斷裂;裂紋源在螺桿的根部,斷口有放射狀臺(tái)階,在螺紋根部存在應(yīng)力集中;瞬斷區(qū)面積較大,有摩擦痕跡,螺栓承受了拉伸應(yīng)力,并伴隨有切應(yīng)力。

圖2 1號(hào)螺栓螺帽和螺桿斷口宏觀形貌

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂螺栓上取金屬屑,采用碳硫儀對(duì)1號(hào)斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示,由表1可知:1號(hào)斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 699—2015 《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對(duì)45鋼的要求。

表1 1號(hào)斷裂螺栓的化學(xué)成分分析結(jié)果 %

1.3 掃描電鏡分析

用掃描電子顯微鏡對(duì)1號(hào)斷裂螺栓的斷裂部位進(jìn)行分析,1號(hào)螺栓斷口斷裂源SEM形貌如圖3所示,由圖3可知:裂紋起源于螺帽的根部;裂紋源部位的斷口比較粗糙;斷口有沿晶開(kāi)裂的傾向,斷裂性質(zhì)為脆性開(kāi)裂。

圖3 1號(hào)螺栓斷口斷裂源SEM形貌

圖4為1號(hào)螺栓斷口瞬斷區(qū)SEM形貌,由圖4可知:斷口存在大面積的摩擦痕跡;瞬斷區(qū)呈小韌窩形貌。

圖4 1號(hào)螺栓斷口瞬斷區(qū)SEM形貌

1.4 金相檢驗(yàn)

將1,2,3號(hào)螺栓沿中心軸線(xiàn)方向剖開(kāi),制備成金相試樣,將試樣置于光學(xué)顯微鏡下觀察。1號(hào)螺栓裂紋微觀形貌如圖5所示,由圖5可知:裂紋呈臺(tái)階形式擴(kuò)展, 同時(shí)局部區(qū)域有二次裂紋擴(kuò)展,并且裂紋前端呈分叉式擴(kuò)展。

圖5 1號(hào)螺栓裂紋微觀形貌

1號(hào)螺栓裂紋腐蝕后微觀形貌如圖6所示,由圖6可知:裂紋沿晶界擴(kuò)展,在珠光體區(qū)內(nèi)穿晶擴(kuò)展,整個(gè)斷口裂紋以穿晶和沿晶混合的方式擴(kuò)展。

圖6 1號(hào)螺栓裂紋腐蝕后微觀形貌

2號(hào)螺栓根部的微觀形貌如圖7所示,由圖7可知:在螺紋的根部有密集流線(xiàn),尤其靠近表面區(qū)域,流線(xiàn)分布最密集;過(guò)渡區(qū)域的顯微組織為拉長(zhǎng)的鐵素體和顆粒狀的珠光體。

圖7 2號(hào)螺栓根部的微觀形貌

3號(hào)螺栓根部的微觀形貌如圖8所示,由圖8可知:在螺帽和螺桿的過(guò)渡區(qū)域沒(méi)有明顯的流線(xiàn),顯微組織為均勻的回火索氏體。

圖8 3號(hào)螺栓根部的微觀形貌

1.5 硬度測(cè)試

硬度測(cè)試位置如圖9所示,對(duì)螺栓的螺帽和螺桿的過(guò)渡區(qū)邊緣(A區(qū))、中心區(qū)域(B區(qū))和螺桿部位(C區(qū))進(jìn)行硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示。

表2 3個(gè)試樣的A、B、C 區(qū)硬度測(cè)試結(jié)果 HV

圖9 硬度測(cè)試位置示意

由表2可知:1號(hào)斷裂螺栓螺桿變截面的拐角A區(qū)硬度較高,比螺桿C區(qū)硬度高;2號(hào)螺栓A區(qū)的硬度較高,且越接近根部過(guò)渡區(qū)的表面,硬度越高,平均值約為328 HV;3號(hào)螺栓的A、B、C區(qū)的硬度相差較小,基本均勻一致。硬度測(cè)試結(jié)果說(shuō)明1號(hào)螺栓和2號(hào)螺栓的螺帽與螺桿變截面位置可能存在加工硬化現(xiàn)象。

2 綜合分析

斷裂螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)對(duì)45鋼的要求。裂紋從螺紋根部表面產(chǎn)生,由外向內(nèi)部擴(kuò)展;斷口比較粗糙,斷口呈解理斷裂特征,宏觀斷口也沒(méi)有塑性變形,說(shuō)明螺栓的斷裂性質(zhì)是脆性斷裂。

1號(hào)螺栓裂紋沿鐵素體晶界開(kāi)裂,珠光體區(qū)域呈穿晶斷裂特征。如果電鍍后螺栓的裂紋擴(kuò)展有沿晶擴(kuò)展的傾向,表明螺栓的斷裂與吸氫有關(guān)[1]。1號(hào)和2號(hào)螺栓的顯微組織是拉長(zhǎng)的鐵素體和顆粒狀的珠光體,是退火態(tài)的變形組織,說(shuō)明螺栓冷鐓變形后沒(méi)有進(jìn)行熱處理;而3號(hào)螺栓經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的顯微組織是回火索氏體,與1號(hào)和2號(hào)螺栓的顯微組織完全不同。

1號(hào)和2號(hào)螺栓的螺紋根部硬度均高于螺桿部位的硬度,尤其在2號(hào)螺栓根部區(qū)域硬度達(dá)到了328 HV,充分說(shuō)明螺栓冷鐓后,螺紋根部發(fā)生了加工硬化。工藝要求在冷鐓后對(duì)螺栓進(jìn)行熱處理,但是螺紋根部的顯微組織特征、硬度的分布均說(shuō)明了1號(hào)和2號(hào)螺栓未經(jīng)過(guò)熱處理。

冷鐓之后對(duì)螺栓直接進(jìn)行了酸洗電鍍,導(dǎo)致在酸洗過(guò)程中,變截面部位存在殘余拉應(yīng)力,使得氫原子易于進(jìn)入螺栓中,在螺紋根部的拐角部位形成氫富集。在螺栓裝配后,由于螺帽與螺桿變截面部位存在應(yīng)力集中和工作應(yīng)力,使氫進(jìn)一步在螺帽的根部聚集,并產(chǎn)生裂紋,造成螺栓發(fā)生氫致延遲斷裂[2]。雖然工藝流程上要求對(duì)螺栓進(jìn)行冷鐓后熱處理,但是螺栓硬度的復(fù)驗(yàn)部位是螺桿,而螺桿部位未經(jīng)過(guò)加工,原材料的硬度與成品螺栓的硬度在同一區(qū)間內(nèi),因此不能通過(guò)檢測(cè)螺桿部位硬度的方法來(lái)確定螺栓是否經(jīng)過(guò)熱處理。

3 結(jié)論與建議

(1) 斷裂螺栓發(fā)生氫致延遲斷裂。螺栓冷鐓成形后,在螺帽和螺桿變截面的拐角處存在加工硬化和殘余拉應(yīng)力,在殘余拉應(yīng)力的作用下,螺栓酸洗時(shí)易吸入氫原子,使得該處形成氫富集,導(dǎo)致螺栓在裝配后發(fā)生斷裂。

(2) 在冷鐓成形后、電鍍前增加調(diào)質(zhì)處理,可以消除螺栓加工硬化和應(yīng)力集中,避免產(chǎn)生氫富集現(xiàn)象。

(3) 建議對(duì)成品螺栓進(jìn)行檢驗(yàn)時(shí),檢驗(yàn)位置選擇螺栓縱剖面的交界面位置,而不是桿部位置。