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张先鸣:紧固螺钉断裂原因分析(附图)

中国金牌娱乐工业联合会机经网  发布时间:2018-06-19 14:24:47  来源:金蜘蛛紧固件网


用于家用电器零件的紧固螺钉在安装一天后发生断裂。通过宏观和微观检验、硬度检测、金相检验和化学成分等方法对断裂原因进行分析。

  用于家用电器零件的紧固螺钉在安装一天后发生断裂。通过宏观和微观检验、硬度检测、金相检验和化学成分等方法对断裂原因进行分析。

  摘要

  用于家用电器零件的紧固螺钉在安装一天后发生断裂。通过宏观和微观检验、硬度检测、金相检验和化学成分等方法对断裂原因进行分析。

  结果表明:失效螺钉的断裂性质为氢致延迟断裂,螺钉的断裂主要与渗碳层较厚和相对较高的表面硬度有关。

  某公司生产的M3×8.5非标螺钉,用于家用电器零件的紧固,螺钉示意见图1,安装部位见图2。在安装放置一天以后,有多根螺钉发生横向断裂,断裂螺栓宏观形貌见图3。该螺钉采用1018钢制造,螺钉生产流程如下:拉丝→粗车→冲内花型孔→精车→搓牙→热处理→表面处理(镀锌)→驱氢处理,技术要求,渗碳淬火硬度450~550HV 0.3,心部硬度270~390HV 10。

  为查明该批螺钉断裂的原因,对其进行了检验和分析。

  

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  1、理化检验

  1.1 宏观分析

  断裂发生在螺钉根部,断口为横向平断口,没有明显塑性变形,属宏观脆性断裂,见图3。

  

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  1.2 金相检验

  将断裂螺钉沿轴向剖开制成金相试样,在DM3000型光学显微镜下观察分析,可见裂纹源区及附近螺纹根部有微裂纹,且微裂纹走向沿轴向形态分布,裂纹呈锯齿状向内延伸,裂纹内未见异常(见图4)。

  

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  螺钉钢中非金属夹杂物按G B/ T10 561-2005标准评级图进行评级。经4%HNO3酒精溶液浸蚀后,用光学显微镜观察分析断裂螺钉钢的非金属夹杂物和金相组织。

  (1)断裂的螺栓钢中D类环状氧化物夹杂物较为细小,其级别约为细A类 0.5级,B类1级,C类0.5级,D类0.5 级(图6),表明螺钉钢的冶金质量较好。

  

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  (2)断裂螺钉表层显微组织为回火高碳马氏体,见图7,心部及断口处显微组织均为回火低碳马氏体和贝氏体,见图8。

  

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  1.3 显微硬度测试

  对断裂螺钉进行显微硬度测试,结果表面为512、506、501、513HV0.3,心部为309、303、312、313HV10。

  1.4 断口分析

  选取典型的螺钉断口,采用JSM-7001F型高分辨扫描电镜对断口微观形貌进行观察和分析。螺钉断裂起始于螺钉根部,裂纹源区断口特征为沿晶和二次裂纹,见图9和图10;裂纹扩展区和瞬断区断口特征为沿晶、二次裂纹和准解理,沿晶面上有鸡爪状花样,见图11。

  

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  1.5 化学成分分析

  断裂螺钉用 Labspark750A直读火花光谱仪分析结果见表1,可见各元素含量均符合ASTM A29/A29M-2011a标准对1018低碳钢成分的技术要求。

  

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  2、综合分析

  2.1 裂纹组织特征

  断裂螺钉钢化学成分符合美国1018低碳钢技术要求。断裂螺钉根部存在横向微裂纹,并且裂纹呈锯齿状向内部延伸,裂纹内未见异常,具有氢脆延迟断裂特征。断裂螺钉表层显微组织为回火高碳马氏体,心部显微组织为回火低碳马氏体和贝氏体;通常优质碳素钢,淬火后心部组织应该为珠光体和铁素体,不应该得到马氏体组织,说明螺钉心部含碳量较高,增加了螺钉的淬透性,使其淬火后得到马氏体组织。

  2.2 断口特征

  螺钉断裂起始于螺钉根部,裂纹源区断口特征为沿晶和二次裂纹,裂纹扩展区和瞬断区断口特征为沿晶、二次裂纹和准解理,沿晶面上有鸡爪状花样,具有氢脆断口的鸡爪花样特征,进一步表明螺钉断裂属于氢脆延迟断裂。

  2.3 热处理指标的分析

  该批螺钉经渗碳淬火处理,显微硬度测试,结果表面硬度和心部硬度均在技术要求范围内,但用金相法检测渗层较深,达到0.17~0.20mm,超出该螺钉技术要求约2倍,强度增加,脆性增大。

  2.4 受力分析

  从螺钉安装一天以后发生断裂,可知该断裂螺钉在承受外力的条件下,由于断裂螺钉渗碳后,整体强度增高,螺钉表面经电镀锌,氢的渗入基体,氢脆的表观特征一般是表现为低应力延迟破坏。

  3、讨论

  ①螺钉材料的强度越高,氢脆敏感性越大。这是因为,金属晶体结构中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多,在酸洗、电镀过程中螺钉吸氢的能力强,基体内应力较大;同时,延迟断裂的临界应力极限氢脆随着材料强度的升高而急剧下降。钢制螺钉因强度过高导致氢脆断裂失效,有时与设计过分强调硬度指标有关。原设计硬度为4 5 0~550HV0.3,渗碳淬火回火的温度区间为380~400℃,该温度为回火温度脆性区域,将硬度改为350~450HV0.3,结果回火温度在430~440℃或450℃,使得螺钉的氢脆敏感性降低,有效地预防了氢脆断裂的发生。

  ②钢制螺钉发生氢脆失效通常也与不合适的热处理有关。由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切关系。因而,在一定强度水平下,钢的氢脆断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系。在各种不同的显微组织中,对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、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。

  淬火回火钢在300~400℃的温度范围回火时,其氢脆敏感性急剧恶化,这是由于低温回火脆性与氢脆现象叠加的结果。研究结果表明,回火脆化对氢致脆性断裂起着明显的促进作用,回火脆化程度较小,回火脆化和氢脆为线性相加;回火脆化程度较大,回火脆化将大大加剧氢脆程度。分析认为:失效螺钉在较低的氢含量下发生氢脆断裂,其主要原因是由于螺钉存在中等程度的回火脆化。

  ③钢制螺钉经电镀处理后一般需进行驱氢处理,电镀后原则上应尽快驱氢,因为镀层中的氢和表面基体金属中的氢向钢基体内部扩散,其数量随时间延长而增加。一般认为:最好在镀后1h内,但不迟于3h,进行驱氢处理。驱氢工艺是否合理是关系到螺钉是否发生氢脆的一个关键性因素。目前国际上对于钢制紧固件驱氢工艺有一个通用标准,190~230℃加热保温24h,空冷。国内的钢制螺钉在进行驱氢处理时,大多选用180~210℃的加热温度,保温时间基本在2~4h左右。

  虽然该工艺可以降低螺钉中的氢含量,但并不适用所有的钢种,难以保证产品的可靠性使用,故驱氢工艺应该按钢种、强度及工作应力分别加以规定。

  需要特别强调的是,对于重复加工件,在酸洗去除镀层后一定要先进行驱氢处理,然后电镀,再驱氢。之所以要在酸洗去除镀层后增加一道驱氢工序,是因为与酸洗除锈和氧化皮不同,酸洗去除镀层需要较长时间,螺钉会大量吸氢,这时若直接电镀,后续的驱氢处理则很难将氢去除干净,这也解释了螺钉为什么只有少数断裂的现象。

  4、结论

  该批螺钉断裂是因为渗碳层过厚,淬火、回火后得到回火低碳马氏体和贝氏体,脆性增大,镀锌后驱氢效果不好,上述因素综合作用导致部分螺钉在使用过程中发生氢脆延迟断裂。◆

  参考文献

  [1]钟群鹏,赵子华.断口学[M]. 北京:高等教育出版社,2006.

  [2]傅国如,张峥.失效分析技术[J]. 理化检测:物理分册,2005(4):212-216.

  [3]夏立芳.金属热处理工艺学[M].哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2008

  [4]任松赞,张静江.钢铁金相图谱[M].上海:上海科学技术文献出版社,2003.

  [5] 储武扬,乔利杰,陈奇志.断裂与环境断裂[M].北京:科学出版社,2000.

  [6]张先鸣. 高强度螺栓断裂分析[J].紧固件,2014.(2)总39期:45-47,58.

  作者:金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣

  本文原刊登于第38期金蜘蛛《紧固件》季刊

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责任编辑:机经网编辑部 feng
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