SWRCH２２A 钢自攻螺钉断裂原因分析
１ 理化检验
１．１ 宏观观察
对断裂失效螺 钉 进 行 宏 观 观 察 发 现,螺 钉 的 断
裂位置为靠近头部 垫 片 下 方 螺 杆 的 螺 纹 起 始 位 置,
断口较为平整,呈现弱金属光泽的亮点,在螺钉边缘
处有明显的撕裂棱,如图１所示.
１．２ 化学成分分析
按照JISG１２５８－２００７ 的 要 求,采 用 电 感 耦 合
等离子体发射光谱仪(ICPＧOES)对断裂螺钉进行了
化学成分分析,由于螺钉表面经渗碳处理,将表面渗
碳层去除后进行分析,结果如表１所示.结果显示断裂螺钉的化学成分符合JISG３５０７－２００５对该产
品的规定.
１．３ 金相检验
由于螺钉经过 淬 火 及 回 火 处 理,为 了 确 认 是 否
由热处理工艺不当 导 致 螺 钉 断 裂,取 失 效 螺 钉 螺 杆
部分制成金相试样,经 磨 抛、４％ (体 积 分 数)硝 酸 酒
精溶液侵蚀后,在 LV１５０型尼康金相显微镜下进行
观察.观察结果表 明,螺 钉 的 显 微 组 织 主 要 是 由 回
火马氏体和少量的残余奥氏体组成１．４ 断口扫描电镜分析
将断裂螺钉在扫描电子显微镜下进行断口形貌
观察,结果如图３所示.可见在螺钉的裂纹源区域,
断面的微观形貌呈现出沿金属晶粒界面分离的冰糖
状沿晶断裂形态,沿晶断口上存在二次裂纹,属于典
型的脆性断裂.裂纹扩展区域的断口形貌仍然以冰
糖状沿晶断裂为主,且沿晶小刻面上存在细小、发育
不完整的韧窝,即“鸡 爪 痕”. 当 裂 纹 扩 展 到 瞬 断 区时,断口上沿晶和撕裂棱上的韧窝共存.
１．５ 氢含量测试
根据 GB/T１４２６５－１９９３«金 属 材 料 中 氢、氧、
氮、碳和硫分析方法 通 则»的 要 求,采 用 氧 氮 氢 分 析
仪对断裂螺钉进行 氢 含 量 测 试,结 果 显 示 螺 钉 中 氢
的质量分数为０．０００４９％.
２ 分析与讨论
化学成分分析 结 果 显 示,断 裂 螺 钉 的 化 学 成 分
符合产品要求.金 相 检 验 结 果 显 示,螺 钉 显 微 组 织
主要是由回火马氏 体 和 少 量 残 余 奥 氏 体 组 成,说 明
螺钉热处理工艺 正 常. 螺 钉 断 口 的 微 观 分 析 发 现,
在沿晶小刻面上有“鸡 爪 痕”,且 沿 晶 和 撕 裂 棱 上 的
韧窝共存,按照氢脆断裂失效的判据[１],螺栓断裂属
于氢脆断裂.螺钉 的 显 微 组 织 为 回 火 马 氏 体,且 在
各种不同的显微组 织 中,对 氢 脆 敏 感 性 从 高 到 低 为
马氏体、上贝氏体(粗 大 贝 氏 体)、下 贝 氏 体 (细 贝 氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体[２Ｇ３],因此该螺钉的显微
组织为氢脆敏感 组 织. 通 常 情 况 下,螺 钉 由 于 在 使
用过程中防锈及外 观 等 原 因 而 进 行 表 面 电 镀 处 理,
在处理过程中会受到酸性介质中氢元素的影响.氢
含量测试结果表明,螺钉中氢含量较高,质量分数为
０．０００４９％.而 对 于 普 通 高 强 度 钢,当 氢 质 量 分 数
达到０．０００１％时,材 料 即 可 能 发 生 氢 致 延 迟 断 裂.
由于螺钉属于应力 集 中 严 重 的 多 缺 口 零 件,螺 钉 装
配后会受到预紧的 拉 伸 应 力 作 用,氢 原 子 扩 散 至 应
力集中处,与位错 交 互 作 用,使 位 错 线 被 钉 扎,不 能
自由活动,使材料变脆,从而在螺杆螺纹起始位置萌
１．１ 宏观观察
对断裂失效螺 钉 进 行 宏 观 观 察 发 现,螺 钉 的 断
裂位置为靠近头部 垫 片 下 方 螺 杆 的 螺 纹 起 始 位 置,
断口较为平整,呈现弱金属光泽的亮点,在螺钉边缘
处有明显的撕裂棱,如图１所示.
１．２ 化学成分分析
按照JISG１２５８－２００７ 的 要 求,采 用 电 感 耦 合
等离子体发射光谱仪(ICPＧOES)对断裂螺钉进行了
化学成分分析,由于螺钉表面经渗碳处理,将表面渗
碳层去除后进行分析,结果如表１所示.结果显示断裂螺钉的化学成分符合JISG３５０７－２００５对该产
品的规定.
１．３ 金相检验
由于螺钉经过 淬 火 及 回 火 处 理,为 了 确 认 是 否
由热处理工艺不当 导 致 螺 钉 断 裂,取 失 效 螺 钉 螺 杆
部分制成金相试样,经 磨 抛、４％ (体 积 分 数)硝 酸 酒
精溶液侵蚀后,在 LV１５０型尼康金相显微镜下进行
观察.观察结果表 明,螺 钉 的 显 微 组 织 主 要 是 由 回
火马氏体和少量的残余奥氏体组成１．４ 断口扫描电镜分析
将断裂螺钉在扫描电子显微镜下进行断口形貌
观察,结果如图３所示.可见在螺钉的裂纹源区域,
断面的微观形貌呈现出沿金属晶粒界面分离的冰糖
状沿晶断裂形态,沿晶断口上存在二次裂纹,属于典
型的脆性断裂.裂纹扩展区域的断口形貌仍然以冰
糖状沿晶断裂为主,且沿晶小刻面上存在细小、发育
不完整的韧窝,即“鸡 爪 痕”. 当 裂 纹 扩 展 到 瞬 断 区时,断口上沿晶和撕裂棱上的韧窝共存.
１．５ 氢含量测试
根据 GB/T１４２６５－１９９３«金 属 材 料 中 氢、氧、
氮、碳和硫分析方法 通 则»的 要 求,采 用 氧 氮 氢 分 析
仪对断裂螺钉进行 氢 含 量 测 试,结 果 显 示 螺 钉 中 氢
的质量分数为０．０００４９％.
２ 分析与讨论
化学成分分析 结 果 显 示,断 裂 螺 钉 的 化 学 成 分
符合产品要求.金 相 检 验 结 果 显 示,螺 钉 显 微 组 织
主要是由回火马氏 体 和 少 量 残 余 奥 氏 体 组 成,说 明
螺钉热处理工艺 正 常. 螺 钉 断 口 的 微 观 分 析 发 现,
在沿晶小刻面上有“鸡 爪 痕”,且 沿 晶 和 撕 裂 棱 上 的
韧窝共存,按照氢脆断裂失效的判据[１],螺栓断裂属
于氢脆断裂.螺钉 的 显 微 组 织 为 回 火 马 氏 体,且 在
各种不同的显微组 织 中,对 氢 脆 敏 感 性 从 高 到 低 为
马氏体、上贝氏体(粗 大 贝 氏 体)、下 贝 氏 体 (细 贝 氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体[２Ｇ３],因此该螺钉的显微
组织为氢脆敏感 组 织. 通 常 情 况 下,螺 钉 由 于 在 使
用过程中防锈及外 观 等 原 因 而 进 行 表 面 电 镀 处 理,
在处理过程中会受到酸性介质中氢元素的影响.氢
含量测试结果表明,螺钉中氢含量较高,质量分数为
０．０００４９％.而 对 于 普 通 高 强 度 钢,当 氢 质 量 分 数
达到０．０００１％时,材 料 即 可 能 发 生 氢 致 延 迟 断 裂.
由于螺钉属于应力 集 中 严 重 的 多 缺 口 零 件,螺 钉 装
配后会受到预紧的 拉 伸 应 力 作 用,氢 原 子 扩 散 至 应
力集中处,与位错 交 互 作 用,使 位 错 线 被 钉 扎,不 能
自由活动,使材料变脆,从而在螺杆螺纹起始位置萌
生裂纹并发生脆性断裂[１,４Ｇ６].
３ 结论及建议
(１)该螺钉断裂的原因为,电镀后除氢不彻底,
导致内部氢聚集,引发氢致延迟断裂
２)建议在电镀后,及时对螺钉进行除氢处理,
推荐在１９０~２１０ °C下除氢２~２４h.
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