双头螺栓失效分析

您现在位置：失效分析基础件失效分析广告········双头螺栓失效分析金蔚静(上海法雷奥汽车电器系统有限公司,上海201203)摘要:与汽车电机装配在一起的双头螺栓在拧紧后不久便发生断裂。采用扫描电镜、化学分析、金相检验等方法对失效件进行了检测,同时又进行了氢脆试验验证。结果表明,螺栓在进行表面酸洗及电镀时,氢向金属内部扩散和富集,当氢浓度达到一定临界值后,促使氢致裂纹的产生和扩展。在外应力的作用下,即出现氢脆现象导致螺栓断裂。关键词:双头螺栓;氢损伤;脆性断口;晶界裂纹1引言用于连接某汽车电机和线类零件的接线柱又称双头螺栓,规格为M5×60mm。A端螺纹与电机装配后未出现异常,但两天后在拧紧B端螺纹后不久,在A端螺纹的根部二扣处发生断裂(数件),见图1。该螺栓技术要求:螺栓材料为35CrMo,性能等级10.9级,硬度要求32～39HRC。其加工工艺:落料→车削→车螺纹→热处理(淬火+回火)→表面处理(电镀)。为找出失效原因,进行了理化检验和分析。图1M5×60mm双头螺栓断裂形貌2试验方法和结果2.1断口分析宏观断口表面沿螺纹存在较多小断面,没有剪切唇,断口较平齐,具有放射状条纹,呈脆性断裂,见图2。用扫描电镜放大后可观察到断口为冰糖状沿晶断裂并有较多沿晶二次裂纹、发纹和爪状纹氢脆断口特征,未发现韧窝和塑性区域,见图3。图2螺栓断口低倍形貌12×图3微观断口形貌1200×2.2化学成分分析在失效件的六角杆部位取样,用光谱进行化学成分分析,其结果(质量分数)符合标准要求,见表1。2.3硬度测定和金相检验对失效件(1号组试样)和按要求除氢后同批零件(2号组试样)的六角面分别进行硬度测试,其实测值均为39～41HRC,略高于32～39HRC技术要求值。在失效件断口附近取样观察其显微组织,其组织为有明显马氏体位向的回火托氏体,未发现白点和发纹,与2号组试样组织相同。2.4氢脆验证试验为测试失效件是否存在游离氢,即用预载荷试验/平行支承面法进行氢脆试验。2.4.1试验方法取1号组试样三件,另在同批已按要求除氢的螺栓中任意选取2号组试样3件。预载荷试验在夹具上进行。使试件承受屈服点以内的相应扭矩,按技术要求,其施加的最大扭矩为6.6Nm,并在此扭矩下保持72h以后,检查试件是否发生破坏。2.4.2试验结果1号组试样在试验结束时已发生断裂,其低倍断口与图2相同,在扫描电镜1200倍下观察,其微观组织与图3相同,为冰糖状沿晶脆性断裂。2号组三件试样至试验结束均未发生破坏,用加大扭矩实施人为破坏至试件断裂,其断口见图4,整个断面较灰暗,呈纤维状,螺栓断裂时产生较大的塑性区域,扫描电镜放大照片显示主要由韧窝组成,见图5。图4氢脆验证试验时2号组试样断口形貌12×图5图4的高倍形貌1200×3分析讨论从螺栓的加工流程、装配、失效模式和以上的检验结果来分析,螺栓化学成分符合材料技术要求;硬度值在3941HRC之间,为技术要求的上限,并略有超出;金相组织也表明热处理调质无异常。如果在装配时扭矩超载,则它的失效形式应是以塑性变形为特征。该螺栓在A端拧紧后并没有断裂,而在拧紧B端后的一段时间才出现失效,这说明在应力条件下,产生了以沿晶裂纹为主的脆性断口,是符合典型的氢脆断裂特征的。氢损伤或氢脆的表现形式有两种,一般可以分为不可逆氢脆和可逆氢脆,前者指氢造成永久性损伤,其缺陷是氢致鼓泡,或材料中出现白点、发纹等;可逆氢脆是指排除氢后力学性能可以恢复的氢脆现象。从失效件断口附近的金相组织未显示白点和发纹可说明此批试件属于可逆氢脆,通过重新去氢可消除脆性,此结论在氢脆验证时得到论证,从而证明在电镀酸洗过程中氢尚未除尽而导致在应力下延迟破坏,属于第二类可逆氢脆。螺栓在酸洗和电镀时,高浓度强酸中的氢侵入零件,通常强度级别高的材料比强度级别低的材料氢脆敏感性大,裂纹扩展速度也大。失效件硬度已达4041HRC,这相对于正常硬度范围32～39HRC或更低硬度的紧固件而言,则更易增加脆性风险。因为氢可使金属原子间的结合力减弱而使金属变脆,有关文献[1]已有讨论,对固溶氢导致氢脆现象,多半是因为使金属中位错增殖,并促使位错运动,氢和位错的交互作用使得裂纹前沿塑性区及三向应力集中区发生氢富集,富集的氢引起原子结合力下降,在一定应力状态下,因氢浓度达到临界值而致裂纹扩展,裂纹扩展又使裂纹尖端氢浓度降低,裂纹扩展停止。而在新形成的高应力应变区氢再度被吸引,当富集到临界浓度时裂纹再度扩展,裂尖氢浓度又降低,出现止裂,这个过程会不断延续。同时氢压理论[2]告诉我们,吸氢会使金属内部存在过饱和氢,当存在这种不平衡状态,它总要趋于平衡。一种可能是氢通过扩散而跑出金属表面,但由于自由表面反应的限制,在一般条件下氢向外跑出去的速度是较慢的,特别是在浸泡充氢或电解充氢过程中,氢原子都向金属内部扩散。过饱和氢趋于平衡的第二种方式是被各种陷阱(如位错,晶界以及第二相界面)捕获氢原子并使之变成氢分子的空洞也是一种陷阱,因而这种陷阱中的氢分子浓度可以达到很高的值。一旦氢分子形成,空洞内就存在氢压。所以当金属含有过饱和的氢,则会在一定条件下结合成氢分子从而产生巨大的内压力,这种压力将与外应力共同作用使氢致裂纹产生和扩展。最终由于氢的存在使材料变脆,当螺栓在外应力作用下即发生断裂。4结论由于螺栓在酸洗、电镀后没有除氢或除氢不完全,使之在受力拧紧情况下两天后发生脆性断裂。若本文对您有所帮助，同时为了让更多人能看到此文章，请多宣传一下本站，支持本站发展；多谢！建议用IE1024*768分辨率浏览本网站版权所有(c)中国金相分析网