汽車推力鋼螺栓失效分析

汽車推力桿六角頭螺栓，規(guī)格為M20×1.5×100、性能等級10.9級、材料為20MnTiB，表面電鍍鋅。

該螺栓安裝在汽車上運(yùn)行一段時(shí)間后，螺栓發(fā)生斷裂，取兩件斷裂螺栓進(jìn)行分析。

兩件斷裂螺栓的斷裂形貌基本一致， 見圖12-51。

螺栓斷裂位置為頭桿結(jié)合處，斷口附近無明顯宏觀塑性變形，整個(gè)斷面呈深灰色，可見明顯放射花樣，呈典型脆性斷裂特征，見圖12-52。

圖12-52中，斷裂源位于圖中A區(qū)附近，有較多臺(tái)階，表明該處存在應(yīng)力集中，B區(qū)為快速擴(kuò)展區(qū)，C區(qū)為最終斷裂區(qū)。

圖12-51   斷裂螺栓宏觀形貌                 圖12-52   螺栓斷口宏觀形貌

（1）掃描電鏡微觀檢查

在掃描電鏡下觀察各斷口區(qū)域的微觀形貌（斷口圖12-51中），整個(gè)斷面各個(gè)區(qū)域的微觀形貌表現(xiàn)為脆斷裂特征。

斷裂源區(qū)的宏觀形貌，見圖12-53；

斷裂源區(qū)的微觀形貌，為冰糖狀沿晶斷裂形貌，有少量二次裂紋，未發(fā)現(xiàn)腐蝕產(chǎn)物和冶金缺陷，晶面上有較多雞爪形變形紋，見圖12-54；

擴(kuò)展區(qū)的微觀形貌為以準(zhǔn)解理為主并伴有少量韌窩，見圖12-55；

最終斷裂區(qū)的微觀形貌為剪切韌窩，見圖12-56。

                              圖12-53 斷裂源區(qū)宏觀形貌                       圖12-54 斷裂源區(qū)微觀形貌

圖12-55 擴(kuò)展區(qū)微觀形貌                圖12-56最終斷裂區(qū)微觀形貌

（2）硬度檢測

為確定螺栓滲碳層深度和各項(xiàng)硬度指標(biāo)，分別在斷口附近進(jìn)行硬度梯度測試和螺栓表面、心部硬度測試，螺栓的心部硬度值符合《GB/ 3098.1-2000》標(biāo)準(zhǔn)要求，但接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限；表面硬度超出標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限（超過390HV）。

（3）化學(xué)分析

用直讀光譜對斷裂螺栓進(jìn)行化學(xué)分析，成分符合要求。

（4）氫含量檢測

在斷口取樣測得氫含量11.8ppm。

（5） 金相檢查

沿?cái)嗫诳v向截取試樣，制備成金相試樣，在金相顯微鏡下觀察，斷口附近螺栓表面有滲碳現(xiàn)象，見圖12-57。

螺栓的顯微組織為回火索氏體組織，見圖12-58。

圖12-57  表面滲碳層                圖12-58  回火索氏體組織  

螺栓的化學(xué)成分、顯微組織和心部硬度均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

斷口氫含量較高，容易引發(fā)氫致裂紋。

螺栓斷口平齊，整個(gè)斷面可見明顯放射花樣；斷裂源區(qū)微觀形貌以冰糖狀沿晶斷裂為主，晶界上有大量雞爪形撕裂紋；擴(kuò)展區(qū)為準(zhǔn)解理及韌窩混合形貌，這些是氫脆斷裂的典型特征。由于螺栓氫含量較高，在安裝應(yīng)力作用下發(fā)生氫脆斷裂。

氫脆斷裂是緊固件產(chǎn)品失效機(jī)理中比較常見的一種，是零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下氫導(dǎo)致的失效。它是由于氫滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，由于斷裂與氫的擴(kuò)散和凝聚有關(guān)，它無征兆，具有突發(fā)性，因此氫脆斷裂具有極大的破壞性。

該螺栓為高強(qiáng)度螺栓，螺栓在整個(gè)制作過程中經(jīng)歷酸洗電鍍工藝，致使氫進(jìn)入螺栓，而斷裂的頭桿結(jié)合處本身為應(yīng)力集中部位，在載荷的作用下，氫與局部應(yīng)力交互作用，在此處形成氫的局部高濃度偏聚，產(chǎn)生氫致裂紋，最終導(dǎo)致螺栓氫脆斷裂。而螺栓的表面滲碳，在一定程度上加劇了引發(fā)氫致脆斷的風(fēng)險(xiǎn)。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

(1) 螺栓的斷裂性質(zhì)是氫致脆性斷裂。

(2) 螺栓的斷裂的主要原因是氫含量過高，在應(yīng)力作用下氫脆斷裂。

(3) 螺栓電鍍后要及時(shí)除氫，除氫溫度、時(shí)間要滿足除氫工藝要求。

(4) 高強(qiáng)度螺栓在熱處理過程中要避免滲碳，滲碳后綜合性能降低，不利于使用。