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摘 要:螺栓頭部容易產(chǎn)生斷裂。采用硬度試驗(yàn)機(jī)、金相顯微鏡及氫脆試驗(yàn)等手段對(duì)失效的螺栓與未失效的螺栓進(jìn)行對(duì)比分析,結(jié)果表明該螺栓的失效為氫致斷裂。由于熱處理的工藝不當(dāng),滲碳層過(guò)深,導(dǎo)致過(guò)多的氫滯留在螺栓基材的內(nèi)部,在隨后的回火過(guò)程中氫不易擴(kuò)散,是導(dǎo)致螺栓氫脆斷裂的主要原因。后續(xù)的電鍍工藝中未及時(shí)進(jìn)行有效的去氫,更加重了氫脆斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。
關(guān)鍵詞：螺栓;氫脆;電鍍;去氫
0前言
螺栓頭部斷裂是產(chǎn)品中常見(jiàn)的失效模式,帶來(lái)了很多隱患。本文采用實(shí)驗(yàn)方法分析其原因。斷裂螺栓的規(guī)格 為M1.4*4.5，內(nèi)梅花自攻螺栓，采用材料SAE1022低碳鋼制造，制造工藝是:冷拔一退火一冷拔一冷徽一搓牙一 滲碳淬火加回火一電鍍?nèi)齼r(jià)白鋅。螺栓通常有兩種斷裂 失效模式：1)強(qiáng)度達(dá)不到設(shè)計(jì)的要求,螺栓的破壞扭矩偏 低,當(dāng)安裝扭矩達(dá)到一定的值時(shí)，就會(huì)發(fā)生斷裂。2〉氫脆 斷裂，在安裝過(guò)程中螺栓不會(huì)斷裂，但在內(nèi)部應(yīng)力的作用 下,氫會(huì)不斷擴(kuò)散，使得晶粒間逐漸產(chǎn)生沿晶裂紋,安裝一 段時(shí)間后螺栓發(fā)生斷裂。氫致斷裂的隱蔽性比較大,不易 被發(fā)現(xiàn)，產(chǎn)生的危害十分的嚴(yán)重。在緊固件行業(yè)，預(yù)防氫 脆和探測(cè)氫脆是非常重要的工作之一。因此,掌握一套氫 脆問(wèn)題的分析手段和測(cè)試方法，對(duì)預(yù)防氫脆的發(fā)生起到至 關(guān)重要的作用。
1檢驗(yàn)與測(cè)試
1.1 宏觀檢驗(yàn)
該批次的螺栓斷裂位置基本一致:在靠近頭部的第一顆螺紋的位置，且斷口從螺紋的小徑開始，沿螺紋旋轉(zhuǎn)的方 向裂開。從斷口的粗糙度及擴(kuò)展棱線的走向來(lái)觀察,發(fā)現(xiàn)斷裂起源于螺栓斷口的邊緣。最終斷裂區(qū)也在斷口邊緣且與斷裂起源區(qū)成90°角。整個(gè)斷口呈扭轉(zhuǎn)斷裂特征。
1.2化學(xué)成分分析
對(duì)該批斷裂螺栓熱處理前保留的樣品進(jìn)行化學(xué)分析， 其結(jié)果符合SAE J 403 中SAE 1022牌號(hào)的化學(xué)成分標(biāo)準(zhǔn)。
1.3硬度測(cè)試
取10顆失效的螺栓，進(jìn)行表面顯微硬度與心部顯微硬 度的測(cè)試，表面與心部硬度都符合GB/T 3098.5 — 2000《緊固件機(jī)械性能自攻螺栓》規(guī)范中的要求。
1.4金相檢驗(yàn)
從發(fā)生斷裂的螺釘上沿與斷口垂直的方向取樣，制成金相試樣，經(jīng)4%的硝酸酒精侵蝕后，觀察斷口的組織，其 表面組織為滲碳層組織，心部組織為低碳馬氏體加少量的鐵素體，斷口處顯微組織顯示，裂紋沿晶擴(kuò)展，說(shuō)明其晶界有弱化傾向，斷口表面未見(jiàn)鍍鋅層， 說(shuō)明該失效螺栓在電鍍鋅前未產(chǎn)生明顯的裂紋，同時(shí)在螺 紋的根部未發(fā)現(xiàn)明顯的加工缺陷。
1.5取10顆失效的螺栓與10顆相同工藝但不同批號(hào)的未失效的螺栓，用金相法測(cè)試它們的滲碳層的深度
1.6 氫脆測(cè)試方法
各取50顆失效批次與未失效批次的螺栓，根據(jù)GB/T 3098.5 — 2000《緊固件機(jī)械性能檢查氫脆用預(yù)載荷試驗(yàn) 平行支承面法》規(guī)范中的氫脆檢查方法，同時(shí)進(jìn)行氫脆測(cè)試。試驗(yàn)的結(jié)果是:試驗(yàn)持續(xù)24 h后擰緊螺栓時(shí)， 失效批次的螺栓有9顆斷裂，持續(xù)48h后再次擰緊螺栓 時(shí)，失效批次的螺栓又有5顆斷裂。而未失效批次的螺栓 直到試驗(yàn)結(jié)束后沒(méi)有發(fā)生斷裂。
再取50顆失效批次的螺栓放進(jìn)200°C的烘箱中烘烤4 h，待螺栓自然冷卻后，使用同樣的方法進(jìn)行氫脆測(cè)試, 試驗(yàn)的結(jié)果是:試驗(yàn)持續(xù)24 h后擰緊螺栓時(shí)，失效批次的 螺栓有5顆斷裂，持續(xù)48 h后再次擰緊螺栓時(shí),失效批次 的螺栓又有3顆斷裂。說(shuō)明螺栓內(nèi)滯留大量的氫氣，通過(guò)髙溫加長(zhǎng)時(shí)間烘烤可以得到稀釋,但因?yàn)樗冉?jīng)產(chǎn)生的侵蝕是不可修復(fù)的。
2檢測(cè)結(jié)果分析
通過(guò)上述的檢測(cè)，螺栓在安裝過(guò)程中并未發(fā)生斷裂， 但放置一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)手機(jī)上的螺栓出現(xiàn)斷裂現(xiàn)象,表明 該批螺栓具有延時(shí)斷裂的特征。根據(jù)斷口的金相分析，失效螺栓屬于沿晶脆性斷裂,是晶界弱化的表現(xiàn),呈現(xiàn)氫脆 的形貌。再加上氫脆試驗(yàn)的測(cè)試結(jié)果，可以判定該螺栓的失效為氫致斷裂。螺栓表面的滲碳層深度過(guò)深，而螺栓的截面積比較小，滲碳過(guò)程中產(chǎn)生的氫氣聚集在螺栓內(nèi)部， 在回火時(shí)螺栓中過(guò)飽和的氫難以擴(kuò)散,這是導(dǎo)致該現(xiàn)象的 主要原因。
另外,在鍍鋅工藝中需要經(jīng)過(guò)酸洗與電鍍，又會(huì)吸附 大量的氫，這些氫在電鍍結(jié)束后沒(méi)有得到及時(shí)有效的排 除。當(dāng)氫的濃度達(dá)到臨界值時(shí)，氫和應(yīng)力共同作用產(chǎn)生裂 紋并不斷的擴(kuò)散，裂紋長(zhǎng)度達(dá)到臨界值時(shí)，裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展，螺栓就會(huì)突然發(fā)生斷裂。
3總結(jié)
主要結(jié)論有：1〉熱處理過(guò)程中，滲碳層過(guò)深導(dǎo)致氫過(guò) 多的滯留在螺栓內(nèi),是引起氫脆的直接原因。而電鍍后沒(méi) 有按照規(guī)定的要求進(jìn)行嚴(yán)格驅(qū)氫處理，是導(dǎo)致氫脆的另一 個(gè)的原因。2〉通過(guò)硬度檢測(cè)、滲層深度分析、金相分析及 氫脆試驗(yàn)等手段,可以探測(cè)氫是否被徹底驅(qū)除，防止不良品流人客戶，有效控制客戶處氫致斷裂的風(fēng)險(xiǎn)。3〉通過(guò) 對(duì)熱處理和電鍍過(guò)程中工藝參數(shù)的嚴(yán)格控制,完全可以預(yù) 防氫脆的產(chǎn)生，從根本上消除氫脆所帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)。
