隨著我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展和汽車(chē)電動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，汽車(chē)行業(yè)對(duì)高強(qiáng)度緊固件的需求劇增。緊固件是一種非常重要，使用很廣泛的連接件，應(yīng)用廣泛。按 GB 3098.1 的規(guī)定，將螺栓、螺釘和螺柱的性能等級(jí)分為 10 個(gè)級(jí)別，8.8 級(jí)及以上的稱作高強(qiáng)度緊固件，其應(yīng)用和發(fā)展對(duì)現(xiàn)代機(jī)械的緊湊小型化、輕量化、高性能化及提高結(jié)構(gòu)工程的連接強(qiáng)度起著重要的作用。由于高強(qiáng)度緊固件的 承載能力和使用壽命比中、低強(qiáng)度緊固件高很多，其延遲開(kāi)裂現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，具有廣泛性和多發(fā)性特點(diǎn)，失效原因主要包括設(shè)計(jì)、制造、使用等。另由于延遲斷裂的隱蔽性強(qiáng)，事先很難發(fā)現(xiàn)，所以其危害性很大，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)行業(yè)關(guān)注。
本文針對(duì)汽車(chē)差速器用高強(qiáng)度螺栓的延遲開(kāi)裂現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了螺栓的斷裂性質(zhì)，明確了失效的根本原因，提出了有效的預(yù)防和改進(jìn)措施，并闡述了汽車(chē)行業(yè)關(guān)于高強(qiáng)度螺栓延遲開(kāi)裂問(wèn)題的理解與認(rèn)知，結(jié)論可供其他行業(yè)緊固件設(shè)計(jì)者和使用者參考和借鑒。
一、斷裂情況介紹
某批次汽車(chē)差速器用高強(qiáng)度螺栓材料牌號(hào)為 SCM435，制造工序?yàn)椋合铝?rarr;鍛造六角頭→滾壓螺紋→熱處理→表面發(fā)黑→除氫。成品性能等級(jí)要求為 12.9 級(jí)，如圖 1 所示，硬度要求為 39～44 HRC(385～435 HV)。裝配后短期內(nèi)發(fā)生多起斷裂失效，部分安裝完畢后自行斷裂脫落，部分排查擰緊時(shí)斷裂脫落。斷裂位置均發(fā)生在螺栓六角頭根部 R 角處，失效件宏觀形貌如圖 2 所示。
二、試驗(yàn)結(jié)果及分析
斷口宏觀形貌觀察
失效螺栓斷口宏觀形貌如圖 3 所示。圖中箭頭所示為裂紋快速擴(kuò)展撕裂棱，并呈典型的棘輪狀特征分布。根據(jù)撕裂紋路收斂方向判斷裂源位于斷口邊緣表面區(qū)域，裂源處未見(jiàn)與斷裂有關(guān)的宏觀冶金缺陷和機(jī)械損傷痕跡，瞬斷區(qū)位于斷口中部。在宏觀體式顯微鏡下觀察，斷面粗糙，呈結(jié)晶顆粒狀，斷面干凈，無(wú)腐蝕產(chǎn)物，無(wú)明顯宏觀塑性變形，斷面呈典型的脆性斷裂特征，如圖 4 所示。
斷口電鏡形貌分析
將螺栓斷口用丙酮超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下觀察，裂源處未見(jiàn)夾雜、夾渣等冶金缺陷和折疊、擦傷等制造缺陷，斷口呈典型的冰糖狀沿晶斷裂特征，并伴有大量晶間二次裂紋，如圖 5 所示。進(jìn)一步放大形貌觀察，晶界表面可見(jiàn)明顯塑性撕裂紋路(雞爪紋)，如圖 6 所示。心部瞬斷區(qū)形貌為韌窩 + 沿晶，如圖 7 所示。
顯微組織分析
將斷裂螺栓縱向剖開(kāi)取樣，在拋光態(tài)下按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果為：A0.5，B0，C0.5，D0.5，如圖 8 所示，說(shuō)明非金屬夾雜物輕微，未見(jiàn)異常。
經(jīng)拋光、侵蝕后進(jìn)行金相檢查，如圖 9，基體組織為回火索氏體，奧氏體晶粒度約 8 級(jí)。值得注意的是，螺栓表面組織為回火索氏體+顆粒狀碳化物，表明存在增碳現(xiàn)象，如圖 10 所示。
化學(xué)成分分析
為確定失效螺栓元素含量是否合格，從螺栓取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。可見(jiàn)失效螺栓元素含量符合 JISG 4053—2008《機(jī)械構(gòu)造用合金鋼》中對(duì) SCM435 化學(xué)成分的要求。
硬度檢測(cè)
失效螺栓硬度檢驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，表面硬度和心部硬度均不符合 GB / T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中對(duì)12.9 級(jí)螺栓的要求，其中表面硬度過(guò)高與增碳有關(guān)。
再回火試驗(yàn)
按 GB / T 3098. 1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)失效螺栓進(jìn)行再回火試驗(yàn)，工藝參考客戶提供的《螺栓熱處理工藝卡》，回火溫度(460 ± 10)℃ ，保溫時(shí)間(60 ± 5)min。試驗(yàn)前后同一區(qū)域硬度下降約40HV，結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如表 3 所示，說(shuō)明失效螺栓在生產(chǎn)制造時(shí)存在回火不充分的現(xiàn)象，這也是心部硬度偏高的主要原因。
三、失效原因分析與討論
該批螺栓失效特點(diǎn)是裝配后數(shù)小時(shí)內(nèi)(短時(shí)間內(nèi))發(fā)生斷裂，并非在車(chē)輛運(yùn)行狀態(tài)下失效。根據(jù)宏觀棘輪狀脆性斷口和微觀沿晶開(kāi)裂形貌及晶界雞爪紋等特征，判斷該批次高強(qiáng)度螺栓失效性質(zhì)符合延遲性開(kāi)裂特性。延遲開(kāi)裂是指金屬零件在一定金相組織狀態(tài)、靜載荷(正應(yīng)力)及其他條件下，裂紋萌生并逐步擴(kuò)展的過(guò)程，亦稱靜疲勞。
宏觀棘輪狀多源性斷口是螺栓表面增碳和裝配軸向拉應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)載荷共同作用的結(jié)果，其力學(xué)模型如圖 11 所示，另外也表明了螺栓對(duì)延遲開(kāi)裂有較高的敏感性。
螺栓硬度測(cè)試結(jié)果顯示，表面硬度高出心部硬度 30 HV，依據(jù) GB 3098.1《緊固件機(jī)械性能—螺栓、螺釘和螺柱》中 9.11.2.4 條的規(guī)定，并結(jié)合金相組織分析說(shuō)明失效螺栓表面已增碳。增碳使螺栓表面硬脆，塑性明顯低于內(nèi)部，也是引起螺栓脆性斷裂的主要原因。再回火試驗(yàn)說(shuō)明，螺栓回火不充分，使螺栓心部硬度偏高，也是心部出現(xiàn)部分沿晶性微觀形貌的原因。
螺栓在裝配過(guò)程中頭根部處于扭轉(zhuǎn)和拉伸應(yīng)力作用下，在三向不等拉應(yīng)力狀態(tài)下，不利于材料的塑性變形，增加了脆性傾向。同時(shí)這些部位截面變化較大，應(yīng)力集中嚴(yán)重、開(kāi)裂危險(xiǎn)性大。當(dāng)生產(chǎn)工藝調(diào)整不當(dāng)而表面產(chǎn)生增碳時(shí)，表面硬度可達(dá)到 50 HRC 以上，使螺栓延遲開(kāi)裂的敏感性大幅增加，失效螺栓的表面硬度在 493～501 HV，技術(shù)要求 385～435 HV。
以上述高強(qiáng)度螺栓延遲開(kāi)裂為例，目前延遲開(kāi)裂應(yīng)用最廣泛的是“氫脆”機(jī)理，普遍認(rèn)為工藝氫的引入是此類失效的主因。但在汽車(chē)行業(yè)大量采用的方式是控制“馬氏體組織”(包括“不充分的 回火組織”)和“持久應(yīng)力”兩大關(guān)鍵要素。原因是高強(qiáng)度零部件延遲開(kāi)裂的最短時(shí)間僅為數(shù) 10 s， 對(duì)于傳統(tǒng)的“氫致”裂紋機(jī)理，該時(shí)間內(nèi)在室溫下完成氫原子(離子)的擴(kuò)散、聚集、氫氣的析出等過(guò)程幾乎是不可能的。因此，認(rèn)為氫存在于晶界上，可以降低晶界的能量，導(dǎo)致晶界的滑移剪切抗力的降低可使晶界的滑移剪切抗力降低，有利于晶界的滑移，這種機(jī)制不需要?dú)涞臄U(kuò)散時(shí)間，主要是晶界的黏滯性滑移和裂紋擴(kuò)展需要時(shí)間，故表現(xiàn)出開(kāi)裂的延遲特性。而這種特性對(duì)馬氏體組織及其不充分的回火組織異常敏感，文中螺栓表面增碳和心部硬度偏高都將顯著增加螺栓延遲開(kāi)裂的敏感性。
四、改進(jìn)措施
對(duì)螺栓淬火后，調(diào)整了原來(lái)的回火工藝參數(shù)，將回火溫度提高到(520±20)℃ ，保溫時(shí)間延長(zhǎng)至 120 min，淬火爐內(nèi)保護(hù)氣氛控制在 0.30% ～ 0.40% 。將工藝調(diào)整后的螺栓人工折斷后進(jìn)行掃描電鏡分析，斷口呈正常韌窩形貌，如圖 12 所示，硬度測(cè)試結(jié)果為 386 ～ 388 HV，符合 GB / T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中對(duì) 12.9 級(jí)螺栓硬度規(guī)定的 385 ～ 435 HV。顯微組織為均勻細(xì)回火索氏體，表面無(wú)增碳現(xiàn)象，如圖 13 和圖 14 所示。工藝改進(jìn)后的螺栓未發(fā)現(xiàn)延遲開(kāi)裂現(xiàn)象。
五、結(jié)論和建議
該批失效螺栓的斷裂性質(zhì)為延遲開(kāi)裂，其原因是心部硬度偏高、表面增碳。為預(yù)防類似失效事故再次發(fā)生，建議完善螺栓生產(chǎn)過(guò)程中的熱處理工藝，適當(dāng)調(diào)整爐內(nèi)碳勢(shì)、回火溫度及回火時(shí)間等。另外，在滿足使用工況下的條件下，可考慮降低螺栓性能等級(jí)要求。
馬氏體及其不充分的回火組織顯著增加高強(qiáng)度零部件延遲開(kāi)裂的敏感性，是延遲開(kāi)裂的必要條件。汽車(chē)行業(yè)失效分析是一門(mén)工程應(yīng)用技術(shù)，建議充分考慮“組織” 和“應(yīng)力”兩大因素，“氫” 作為重要的致裂因素，工程上應(yīng)予以回避。
參考文獻(xiàn)略.