自挤螺钉断裂失效分析

自挤螺钉规格为40×12-Z，材质为SAE1022，表面渗碳处理，渗碳层厚度要求0.05~0.18mm ，表面电镀蓝白锌。

用于固定汽车方向盘某部件，装配完成交付时，发现螺钉断裂，头部脱落。

取断裂螺钉一件及部分完好螺钉进行分析，断裂螺钉和完好螺钉的宏观形貌，见图12-34。

（1）螺钉宏观检查

螺钉断裂位置位于头下第一牙，为应力最大处，表面未发现可见缺陷；断口未发现冶金缺陷，见图12-35所示。

图12-34 断裂与未断螺钉宏观形貌       图12-35 断裂螺钉断面宏观形貌

（2）扫描电镜断口检查

断口扫描电镜低倍检查，断口平齐，无宏观塑性变形，见图12-36。

图12-36 断口宏观形貌

断口扫描电镜微观检查，断口边缘与心部的微观形貌不相同，断口边缘为典型的冰糖状沿晶断口，并有晶间二次裂纹，放大后可见晶面上有明显鸡爪痕，见图12-37、图12-38。

螺钉心部断口形貌，表现为准解理断裂特征，见图12-39。

（3）材质成分化学分析

采用电感耦合等离子发射光谱法（ICP）对螺钉进行化学成分分析，分析结果，螺钉基体材料符合《SAE J430-2001》标准中SAE1022钢的要求。

（4） 氢含量测定

取断裂试样残件和完好试样进行氢含量测定，测定结果：断裂件氢含量11.5 ppm；完好件氢含量4.2 ppm。

   图12-37  断口微观冰糖状形貌            图12-38  晶面上有明显鸡爪痕

图12-39  断口心部微观形貌

（5）金相检查

    对螺钉进行金相检查，螺钉牙底有折叠缺陷，位置大致位于每个牙底的相同部位，但断口并不位于折叠处。另外，在随机挑选的一件完好螺钉上也发现了同样的折叠，且折叠开口处均有镀层，推测该折叠是由搓丝板上的缺陷所造成，见图12-40所示。

图12-40 螺钉表面折叠缺陷

将断裂螺钉沿轴向剖开制成金相试样，用4%硝酸酒精溶液腐蚀，可见其组织为索氏体，无明显夹杂偏析等缺陷，见图12-41。

螺钉表面有渗碳层组织，可见螺纹部位已完全渗碳，牙底处渗碳层厚度大约为0.25mm，见图12-42。

图12-41 螺钉心部金相组织              图12-42  螺钉表面渗碳层组织

（6）渗碳层硬度法确定渗碳层厚度

采用硬度法确定渗碳层厚度，根据《GB/T 3098.5-2000》标准中渗碳层厚度仲裁试验—硬度法进行测试，以超过心部实际硬度30HV处开始计算渗碳层厚度，以心部实际硬度350HV10为依据，渗碳层厚度为0.22mm，高于技术指标要求的最大值0.18mm，试验结果如图12-43所示。

图12-43  渗碳层厚度测试

（7）氢脆试验

为验证螺钉氢脆倾向，根据《GB/T 3098.17-2000》进行氢脆预载荷试验。螺钉经保载48h预载荷试验后检查，未发现螺钉断裂，但多处螺纹部位已开裂，如图12-44。

对预载荷试验后已开裂的螺钉进行检查：

开裂的断口扫描电镜观察，高倍可见断口为沿晶断裂形式，有二次裂纹，有明显鸡爪痕，如图12-45所示。

图12-44螺钉开裂宏观形貌                  图12-45开裂断口微观形貌  

10.9级螺栓（钉）的氢含量在10.0ppm以上，在应力作用下就会产生氢致裂纹，引起氢脆断裂，螺栓（钉）氢含量越高，越容易引发氢致裂纹。

该断裂螺钉的断口平齐，断口近表面渗碳层区域微观形貌以冰糖状沿晶断裂为主，晶面上有大量鸡爪形撕裂纹；心部为准解理形貌，这些都是氢脆断裂的典型特征。预载荷试验也表明螺钉渗碳层是氢脆敏感区域。

钢的强度越高，所受应力越大则氢脆敏感性就越高。氢脆断裂是紧固件产品失效机理中比较常见的一种，是零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的失效。它是由于氢渗入金属内部导致的损伤，它无征兆，具有突发性，因此，氢脆断裂具有极大的破坏性。

该批螺钉在制作过程中经历酸洗电镀工艺，致使氢进入其中，电镀后没有除氢或除氢不彻底，使螺钉的氢含量较多。在载荷的作用下，氢含量较多的螺钉，其应力较大部位的头下第一牙处，容易形成氢的局部高浓度偏聚，氢致裂纹萌生并向内扩展，最终导致螺钉断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）螺钉的断裂性质是氢致延迟断裂；

（2）渗碳螺钉电镀后要及时除氢，除氢温度、时间要满足除氢工艺要求。