汽车推力钢螺栓失效分析

汽车推力杆六角头螺栓，规格为M20×1.5×100、性能等级10.9级、材料为20MnTiB，表面电镀锌。

该螺栓安装在汽车上运行一段时间后，螺栓发生断裂，取两件断裂螺栓进行分析。

两件断裂螺栓的断裂形貌基本一致， 见图12-51。

螺栓断裂位置为头杆结合处，断口附近无明显宏观塑性变形，整个断面呈深灰色，可见明显放射花样，呈典型脆性断裂特征，见图12-52。

图12-52中，断裂源位于图中A区附近，有较多台阶，表明该处存在应力集中，B区为快速扩展区，C区为最终断裂区。

图12-51   断裂螺栓宏观形貌                 图12-52   螺栓断口宏观形貌

（1）扫描电镜微观检查

在扫描电镜下观察各断口区域的微观形貌（断口图12-51中），整个断面各个区域的微观形貌表现为脆断裂特征。

断裂源区的宏观形貌，见图12-53；

断裂源区的微观形貌，为冰糖状沿晶断裂形貌，有少量二次裂纹，未发现腐蚀产物和冶金缺陷，晶面上有较多鸡爪形变形纹，见图12-54；

扩展区的微观形貌为以准解理为主并伴有少量韧窝，见图12-55；

最终断裂区的微观形貌为剪切韧窝，见图12-56。

                              图12-53 断裂源区宏观形貌                       图12-54 断裂源区微观形貌

图12-55 扩展区微观形貌                图12-56最终断裂区微观形貌

（2）硬度检测

为确定螺栓渗碳层深度和各项硬度指标，分别在断口附近进行硬度梯度测试和螺栓表面、心部硬度测试，螺栓的心部硬度值符合《GB/ 3098.1-2000》标准要求，但接近标准规定上限；表面硬度超出标准规定上限（超过390HV）。

（3）化学分析

用直读光谱对断裂螺栓进行化学分析，成分符合要求。

（4）氢含量检测

在断口取样测得氢含量11.8ppm。

（5） 金相检查

沿断口纵向截取试样，制备成金相试样，在金相显微镜下观察，断口附近螺栓表面有渗碳现象，见图12-57。

螺栓的显微组织为回火索氏体组织，见图12-58。

图12-57  表面渗碳层                图12-58  回火索氏体组织  

螺栓的化学成分、显微组织和心部硬度均符合标准要求。

断口氢含量较高，容易引发氢致裂纹。

螺栓断口平齐，整个断面可见明显放射花样；断裂源区微观形貌以冰糖状沿晶断裂为主，晶界上有大量鸡爪形撕裂纹；扩展区为准解理及韧窝混合形貌，这些是氢脆断裂的典型特征。由于螺栓氢含量较高，在安装应力作用下发生氢脆断裂。

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氢导致的失效。它是由于氢渗入金属内部导致损伤，由于断裂与氢的扩散和凝聚有关，它无征兆，具有突发性，因此氢脆断裂具有极大的破坏性。

该螺栓为高强度螺栓，螺栓在整个制作过程中经历酸洗电镀工艺，致使氢进入螺栓，而断裂的头杆结合处本身为应力集中部位，在载荷的作用下，氢与局部应力交互作用，在此处形成氢的局部高浓度偏聚，产生氢致裂纹，最终导致螺栓氢脆断裂。而螺栓的表面渗碳，在一定程度上加剧了引发氢致脆断的风险。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

(1) 螺栓的断裂性质是氢致脆性断裂。

(2) 螺栓的断裂的主要原因是氢含量过高，在应力作用下氢脆断裂。

(3) 螺栓电镀后要及时除氢，除氢温度、时间要满足除氢工艺要求。

(4) 高强度螺栓在热处理过程中要避免渗碳，渗碳后综合性能降低，不利于使用。