壓鋼鉚螺釘斷面斷口失效分析

某汽車壓鉚螺釘, 強度級別為9.8級，規(guī)格為M6×1.0-6g，材質(zhì)為10B21，調(diào)質(zhì)處理，硬度要求為27-36HRC，表面電鍍鋅。安裝完畢后一段時間發(fā)生斷裂。

螺釘位于光桿與螺紋相連的臺階處斷裂，見圖12-66。

（1）宏觀檢查

對斷裂螺釘宏觀檢查，斷裂螺釘?shù)臄嗫谄烬R，無明顯宏觀塑性變形，斷口斷面較粗糙，斷口無明顯腐蝕產(chǎn)物及冶金缺陷，見圖12-67。

圖12-66  斷裂件外觀形貌               圖12-67  斷裂件斷口形貌

（2） 斷口掃描電鏡檢查

螺釘斷面的掃描電鏡低倍形貌檢查，為了便于分析，將斷面分為A、B、C、D、E五個區(qū)域進(jìn)行描述，見圖12-68。

圖12-68  斷面掃描電鏡低倍形貌

螺釘斷面的掃描電鏡微觀形貌檢查，A區(qū)、B區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”晶粒，晶面上存在“雞爪痕”形貌，并伴有晶間二次裂紋，見圖12-69、圖12-70、圖12-71所示。

C區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”晶粒，晶面上存在“雞爪痕”形貌，并伴有晶間二次裂紋，見圖12-72所示。

D區(qū)微觀形貌，可見明顯的準(zhǔn)解理形貌，見圖12-73所示。

E區(qū)微觀形貌，可見明顯的“冰糖狀”晶粒，晶面上存在“雞爪痕”形貌，并伴有晶間二次裂紋，見圖12-74所示。

（3）硬度檢測

對斷裂螺釘進(jìn)行表表面和心部硬度試驗檢測，檢測結(jié)果（HV10）：心部硬度為413～418；表面硬度與心部硬度基本相同為415～421 。

《SAE J1199 -2001》標(biāo)準(zhǔn)的硬度要求為279～354 HV10，檢測結(jié)果，表面、心部硬度均不滿足對于9.8級螺釘?shù)囊螅叱鰳?biāo)準(zhǔn)要求136~67 HV10。

圖12-69  斷面A區(qū)微觀形貌              圖12-70  斷面B區(qū)微觀形貌

 圖12-71  斷面B區(qū)微觀形貌             圖12-72   斷面C區(qū)微觀形貌

圖12-73   斷面D區(qū)微觀形貌             圖12-74   斷面E區(qū)微觀形貌

（4）螺栓材質(zhì)化學(xué)分析

采用直讀光譜法對螺釘進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果，根據(jù)《SAE J403-2001》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，材質(zhì)符合10B21鋼的要求。

（5）氫含量檢測

對斷裂螺釘進(jìn)行氫含量檢測，檢測結(jié)果，氫含量 8.9ppm

斷裂螺釘材質(zhì)符合10B21鋼要求，斷裂與材質(zhì)無關(guān)。

螺釘心部硬度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，根據(jù)硬度-強度換算，斷裂螺釘?shù)膹姸纫呀?jīng)超出9.8級的性能要求，說明螺釘熱處理工藝不正常；表面硬度和心部硬度比標(biāo)準(zhǔn)要求高出很多。分析認(rèn)為，螺釘熱處理回火溫度過低，造成螺釘硬度偏高。

螺釘經(jīng)過電鍍鋅后除氫不好，使螺釘?shù)臍浜看罅看嬖凇?/span>

斷口電鏡掃描可見大面積的“冰糖狀”晶粒，晶面上存在“雞爪痕”特征，并伴有晶間二次裂紋，是典型的氫脆斷口形貌。

一般緊固件的硬度在320HV（相當(dāng)于10.9級螺栓硬度）以上時，電鍍后應(yīng)及時驅(qū)氫，當(dāng)硬度達(dá)到390 HV（相當(dāng)于12.9級螺栓硬度）以上時應(yīng)盡量杜絕采用酸洗、電鍍等表面處理方式。該批螺釘因熱處理工藝不當(dāng)，其強度已超過12.9級，經(jīng)電鍍處理后大量滲人的氫沒有除去，就存在了氫脆隱患。

對于高強度緊固件來說，強度越大，其氫脆敏感性就越高。

該批螺釘由于熱處理不當(dāng)造成硬度和強度過高，又因為經(jīng)電鍍處理滲氫后不能完全驅(qū)氫，遺留氫脆隱患，在安裝應(yīng)力的作用下誘發(fā)氫脆延遲斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

（1）螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)是氫脆斷裂

（2）引起螺釘氫脆的根本原因是熱處理回火工藝不當(dāng)造成硬度過高，電鍍滲氫不能完全去除，在安裝應(yīng)力的作用下誘發(fā)氫致延遲斷裂。

（3） 對于高強度緊固件的再回火試驗，GB3098.1—2010規(guī)定為回火溫度為420℃，說明了高強度緊固件的回火工藝很重要，回火溫度低于420℃，就不能得到所需要的金相組織，硬度過高，存在回火脆性的危險。

（4） 高強度緊固件熱處理時，嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品工藝，熱處理后得到所需的組織和硬度。

（5） 高強度緊固件電鍍處理后，及時除氫，并按除氫工藝進(jìn)行除氫。