分享：车用六角头螺栓断裂原因

摘 要:某车型装配牵引鞍座与瓦楞连接用螺栓在安装扭紧后的静置调试过程中发生断裂,通 过断口分析、化学成分分析、氢含量分析、力学性能测试、金相检验等方法,对螺栓的断裂原因进行 了分析。结果表明,螺栓断裂模式为氢致脆性断裂。建议螺栓在制造过程中及时除氢。 

关键词:螺栓;应力;氢脆;失效分析 

中图分类号:TG115.2                                                       文献标志码:B                                       文章编号:1001-4012(2022)05-0026-04

随着汽车行业的飞速发展,对汽车耐腐蚀性能 的要求越来越高,车用紧固件的防腐要求也随之提高。提高车用紧固件耐腐蚀性能的方法主要是表面处理,常见的表面处理方式有热镀锌、电镀锌、镀锌 镍、达克罗等。其中热镀锌工艺具有操作简单、费用低等优点,是目前车用紧固件提升耐腐蚀性能的普 遍处理工艺。然而,该表面处理工艺操作不当,会容易使原材料暴露在富氢环境中,氢原子向基体中渗 透,会导致氢脆断裂失效。 

某公司装配牵引鞍座与瓦楞连接用的螺栓型号 为 Q151B1645TF3,该螺栓由35CrMo钢加工而成, 性能等级要求为10.9级,螺纹规格为 M16 mm× 1.5mm×45mm,表面处理工艺为热镀锌。 

近期,在螺栓安装扭紧后,零件静止调试过程中,发现多个螺栓断裂。为了分析断裂原因,对该批次螺 栓进行了一系列理化检验及分析,并提出了建议。

1 理化检验 

1.1 宏观观察 

取两个断裂螺栓,分别编号为1 # ,2 # ;取3个 同批次未使用的完好螺栓,分别编号为3 # ,4 # ,5 # 。 试样的宏观形貌如图1所示。1 # ,2 # 试样断裂位置 见图1a),两者均断裂于螺栓根部的倒角处,其断口 宏观形貌分别如图1b),1c)所示,可见断口高低不 平,呈杯锥状,断面除新的锈蚀外,其余部位均为新 鲜断口,断面颜色为暗灰色,整个断面比较粗糙,断 口中心区域起伏较小,周围基本上是由放射棱组成 的放射区,局部区域放射棱略呈弧形,起伏较大,面 积也较大,最外围为剪切唇。

1.2 断口分析 

1 # 试样断口微观形貌如图2所示。由图2a)可 以 看出断口表面多点起始裂纹。从图2a)中选择A处起裂点进一步放大观察[见图2b)],并取图2b)中 B点进行观察[见图2c)];由图2c)可见起裂区域断 口形貌为撕裂、沿晶,未见裂纹、夹杂等缺陷。取图 2a)中 C区(裂纹扩展区)进行观察[见图2d)],可见 裂纹扩展区断口形貌为沿晶、撕裂及少量的二次裂 纹,在距表面大约1~3mm 内的沿晶面上发现少量 撕裂棱、鸡爪纹,以及部分点状腐蚀产物,有氢脆倾 向。氢原子具有较小的原子半径,容易在金属原子 中扩散。在紧固件加工过程中会引入氢原子,如原 材料基体长时间暴露在湿度较大的存储过程、淬火 加热或渗碳过程、去氧化皮处理中的酸洗过程以及 电镀除油过程和锌层沉积过程等环境中。氢入侵后 在零件缺陷处聚集,产生巨大的压力,在零件内部生 成微裂纹,再与施加在零件上的静态应力形成合力, 合力从氢聚集的裂纹处不断向外扩散,最终引起断 裂[1-2]。取图2a)中 D 区(最后断裂区),放大观察, 结果如图2e)所示,可见其断口形貌为韧窝。