M1.0螺絲斷裂分析

周海生，郭垚峰，李 珍

(富士康科技集團 華南檢測中心，鄭州 451100)

M1.0螺絲斷裂分析

周海生，郭垚峰，李 珍

(富士康科技集團 華南檢測中心，鄭州 451100)

M1.0螺絲在鎖緊螺釘過程中即發(fā)生斷裂失效。通過斷口形貌觀察、化學成分、金相組織觀察及維氏硬度等分析手段，對斷裂螺絲進行檢測分析，并與扭力達標的正常螺絲進行對比，確定了螺絲發(fā)生斷裂失效的原因。結果表明：斷裂螺絲的心部存在成分偏析，經(jīng)熱處理后形成帶狀組織，其組織為珠光體與呈帶狀分布的鐵素體；帶狀組織的存在，使螺絲強度偏低，因而在小于設計要求扭力的作用下即發(fā)生斷裂失效。為避免此類失效案件的發(fā)生，應加強螺絲原材料的進料檢驗。

螺絲；斷裂；扭斷；帶狀組織；偏析

0 引言

當前人們的生活越來越離不開手機等各類電子產(chǎn)品，作為緊固件的小螺絲也時刻影響著其品質。在生產(chǎn)過程中，螺絲的批量斷裂更會直接導致外殼等各類器件的直接報廢，造成較大損失，應引起高度重視。目前關于汽車等交通工具上緊固件的失效報道，原因多集中于加工缺陷、熱處理異常、氫脆、疲勞等[1-4]，但關于材質問題引起的失效報道還較少。而材料問題則多源于生產(chǎn)螺絲的原材料盤條，其加工流程為：冶煉→澆鑄→軋制→冷拔→檢驗。制備盤條的鋼坯，在冶煉軋制過程中可能會形成夾雜物、縮孔、偏析等缺陷，這些缺陷的存在不僅會影響盤條的品質與性能，更會導致以其為原材料所制造的螺絲等產(chǎn)品因材質問題而失效。其中，偏析多為批次性問題，危害更甚。

近期，我廠出現(xiàn)一批M1.0螺絲在鎖螺釘過程中即發(fā)生斷裂的案件?，F(xiàn)場人員操作手法無誤，且該批螺絲設計要求可承受大于1.20 kgf的扭力，鎖螺釘工具(電動螺釘?shù)?經(jīng)校驗鎖緊力不大于0.78 kgf，也符合要求；螺絲材質牌號為1018鋼，熱處理工藝為淬火+中溫回火，表面處理為鍍銅鍍鎳。

本研究通過對斷裂螺釘斷口形貌、化學成分、金相組織及硬度等進行檢測分析，并與扭力達標的正常螺絲進行比較，對螺絲斷裂之原因進行分析，以期為避免類似失效案件的再次發(fā)生提供借鑒。

1 試驗過程與結果

1.1 斷口宏觀觀察

對斷裂螺絲進行宏觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷面邊緣位置較平整，心部稍稍凸起，整體與螺絲軸線接近垂直，無明顯頸縮現(xiàn)象；斷口呈灰色，在邊緣位置可觀察到一些小亮面，斷面無銹蝕現(xiàn)象，部分位置存在磨損，見圖1。

圖1 螺絲斷口宏觀觀察Fig.1 Macroscopic observation on screw fracture

1.2 斷口微觀形貌

采用Hitchi-SU1510對斷口微觀形貌進行分析(圖2)。如圖2a所示，斷口邊緣位置可觀察到少量二次裂紋及呈冰糖狀的晶粒，晶棱清晰，從放大照片(圖2b)中，可以觀察到晶面上存在許多由夾雜相脫落而形成的小凹坑，說明邊緣位置為沿晶脆性斷裂[5]。圖2c為斷口心部形貌，可觀察到許多細小的韌窩，從放大照片(圖2d)中，可看到部分韌窩中存在微小的夾雜物顆粒，說明螺絲心部為韌性斷裂[6]。

1.3 化學成分分析

由于螺絲較小，去除表面鍍層后，用ICP-OES與碳硫分析儀結合的方法測試斷裂螺絲的化學成分，結果表明斷裂螺絲的化學成分符合ASTM A 516-90b—2006中1018的規(guī)格要求，具體結果見表1。

1.4 金相組織分析

采用4%(質量分數(shù))的硝酸酒精溶液浸蝕斷裂螺絲與正常螺絲的截面試樣，進行金相組織分析，結果見圖3。其中圖3a為斷裂螺絲的表層金相組織，為保持馬氏體位向分布的回火托氏體；從斷裂螺絲心部金相組織圖3b，可看到嚴重的帶狀組織，其心部組織為珠光體與沿軋制方向呈帶狀分布鐵素體。正常螺絲的表層金相組織為回火馬氏體(圖3c)，其心部金相組織為回火索氏體(圖3d)。斷裂螺絲與正常螺絲均可觀察到沿軋制方向分布的夾雜物。

圖2 螺絲斷口形貌Fig.2 Fracture morphology of screw

表1 斷裂螺絲化學成分 (質量分數(shù) /%)Table 1 Chemical composition of fractured screw (mass fraction /%)

圖3 斷裂螺絲與正常螺絲金相組織Fig.3 Metallurgical structures of fractured and normal screws

1.5 硬度分析

采用維氏硬度計測量斷裂螺絲螺牙與心部硬度，并與正常螺絲進行比較，結果見表2。斷裂螺絲的心部硬度僅為182HV0.3，與正常的螺絲硬度相差較大，與金相組織結果相吻合。

表2 斷裂螺絲與正常螺絲硬度Table 2 Hardness of fractured and normal screws

2 分析與討論

斷裂發(fā)生在鎖緊螺絲過程中，且鎖緊扭力小于設計要求，屬于早期斷裂失效。斷裂位置無明顯塑性變形特征，SEM形貌結果顯示斷面邊緣位置可觀察到呈冰糖狀的晶粒，為沿晶脆性斷裂，因而表面觀察時邊緣位置可觀察到一些小亮面。但邊緣沿晶斷裂位置并無撕裂棱線與微孔等氫脆特征，因而可初步排除氫致延遲斷裂的可能性。此外，斷口邊緣還存在少量二次裂紋，說明斷裂起始于表層，然后向心部擴展。斷口心部為韌性斷裂，形貌為細小的韌窩，部分韌窩中存在微小的夾雜物顆粒，但未發(fā)現(xiàn)較大的氣孔或夾雜物存在。

組織檢測發(fā)現(xiàn)，斷裂螺絲表層組織為回火索氏體，心部存在沿軋制方向呈帶狀分布的鐵素體帶，存在嚴重的帶狀組織，致使螺絲強度偏低[7-9]，從而在擰緊螺絲過程中，在相對較小的扭力作用下，螺絲即發(fā)生斷裂失效。

帶狀組織是由鑄錠中粗大的枝晶偏析經(jīng)軋制而形成[10]。在鑄錠結晶過程中，已結晶的固相擴散幾乎不能進行，成分不能擴散至均勻，而液相中溶質碳及合金元素則可通過擴散、對流等方式進行混合。因而，液相前沿碳及合金元素不斷從δ相樹枝晶析出，從而導致先結晶析出的枝干相對碳及合金元素含量較低，而在枝干間則碳及合金元素相對富集，因而形成了化學成分分布不均勻的枝晶組織。鑄錠中粗大的枝晶組織在軋制過程中，沿軋制方向被拉長，從而會形成碳及含金元素貧瘠帶與富集帶交替堆疊的帶狀區(qū)。軋制后在冷卻過程中，碳及合金元素的貧瘠帶的過冷奧氏體穩(wěn)定性較低，會先共析出鐵素體，并將多余的碳排至兩側富集帶，最終形成鐵素體帶；而碳及合金元素富集帶的過冷奧氏體穩(wěn)定性較高，則會在其后形成珠光體帶，因而形成鐵素體帶與珠光體帶彼此交替的帶狀組織。枝晶偏析越嚴重，形成的帶狀組織也越嚴重。

存在帶狀組織的鋼件，通過熱處理可以在一定程度是促進碳元素的均勻化，但卻無法消除合金元素的偏析。這是由于碳的均勻化溫度一般需要在950 ℃以上，而合金元素則需要1 100 ℃以上，通常低碳鋼熱處理溫度均低于950 ℃，且受帶狀組織帶寬、帶間濃度差等因素影響，故很難實現(xiàn)合金元素在奧氏體中的均勻化。在熱處理時通過快冷的方式，可使過冷奧氏體在較低的溫度下轉變，碳無法及時擴散至富集區(qū)，從而可以改善帶狀組織的形貌，減輕帶狀組織的危害。但如果再次加熱到奧氏體化緩冷，仍會出現(xiàn)帶狀組織[12]。

此外，由于合金元素的偏析的存在，會使得奧氏體化時晶粒長大傾向不同，易出現(xiàn)混晶組織；在淬火時，合金元素貧瘠區(qū)的淬透性差，易形成非馬氏體組織。因而，存在帶狀組織的鋼件經(jīng)常規(guī)熱處理后，力學性能均較低。

為避免或改善帶狀組織的不良影響，可通過回爐重熔、增大結晶速度、增大鍛造比、提高終軋溫度等技術來實現(xiàn)[13]。

3 結論

1)螺絲斷面邊緣位置為沿晶脆性斷裂，心部為韌性斷裂。

2)導致螺絲斷裂的根本原因是生產(chǎn)該批螺絲的原材料中存在成分偏析，致使螺絲經(jīng)熱處理后芯部形成嚴重的帶狀組織，力學硬度強度偏低，因而在鎖緊螺絲時即發(fā)生斷裂失效。

3)螺絲產(chǎn)商應加強原材料品質管控，進而保證螺絲質量，以避免類似異常案件的再次發(fā)生。

[1] 柴武倩,楊強云,楊川,等. 汽車張緊輪緊固螺栓斷裂分析[J]. 機械工程材料,2015,37(9):103-105.

[2] 董唯莉,付金鵬,張浩. 不銹鋼螺栓斷裂原因分析[J]. 失效分析與預防,2014,9(1):43-47.

[3] 胡春燕,劉新靈,陳星. 高強度鋼螺栓斷裂失效分析[J]. 金屬熱處理,2012,37(9): 125-127.

[4] 關文秀,姜濤. 連桿螺栓斷裂失效分析[J]. 失效分析與預防,2013,8(5):282-286.

[5] 張躍飛,陳林,劉艷穩(wěn). 65Mn彈簧墊圈斷裂分析[J]. 失效分析與防護,2012,7(1):43-49.

[6] 姜錫山,趙晗. 鋼鐵顯微斷口速查手冊[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,2010:9-15.

[7] 潘天浩,李仁德,何煌,等. 30CrMo鋸片用鋼帶狀偏析及其改善措施[J]. 金剛石與磨料磨具工程,2012,32(1):72-75.

[8] 賴泓州. 60Si2Mn彈簧扁鋼帶狀組織形成機理及對性能的影響研究[D]. 贛州:江西理工大學,2014:24-26.

[9] 顧卓倫,屠征,黃力,等. 17-7PH不銹鋼零件硬度不均勻原因分析[J]. 物理測試,2014,36(6):51-54.

[10] 朱偉華,王玲玲. 低碳合金鋼中帶狀組織的形成機理和消減方法[J]. 萊鋼科技,2007,127(1):14.

[11] 孟耀青,鄭永瑞,李擁軍,等. 熱軋線材中心偏析對油淬回火55CrSiA彈簧鋼力學性能的影響[J]. 特殊鋼,2015,36(5):64-66.

[12] 蘇連鋒. 55CrSi彈簧鋼的帶狀偏析及其消除[J]. 浙江冶金,2009(3):36-38.

[13] 劉云旭. 低碳合金鋼中帶狀組織的成因、危害和消除[J]. 金屬熱處理,2000,25(12):1-3.

FractureAnalysisofM1.0Screw

ZHOU Hai-sheng，GUO Yao-feng，LI Zhen

(ChinaMeasureCenter，F(xiàn)oxconnTechnologyGroup，Zhengzhou451100，China)

M1.0 screws fractured during the process of tightening. To find out the fracture cause, a fractured screw was analyzed by means of scanning electron microscopy(SEM), chemical composition analysis, metallurgical structure examination and Vickers hardness testing. And some comparative analyses were also carried out between the fractured screw and the normal screws having passed the twist test. The results show that there was composition segregation at the core of the fractured screw, which resulted in zonal structure after heat treatment. The core metallurgical structure was pearlite and ferrite in zonal distribution. The zonal structure led the strength of the screw to decrease. As a result, the screw fractured when the test torque was lower than the designed value. The raw materials for screws should be examined to avoid such failure cases.

screw；fracture；fracture by twist；zonal structure；segregation

2017年6月9日

2017年9月23日

周海生(1988年-)，男，碩士研究生，主要從事材料檢測與失效分析等方面的研究。

TG115.21

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2017.05.011

1673-6214(2017)05-0319-04