SWRCH22A鋼螺釘?shù)臄嗔言?/h1>
2020-10-12 11:47:52金昊昀
機(jī)械工程材料 2020年9期
金昊昀，王 榮 呂 淵
(上海材料研究所，上海市工程材料應(yīng)用與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海 200437)
0 引 言
某公司生產(chǎn)的SWRCH22A鋼螺釘主要用于固定卡箍，其服役位置如圖1所示。為檢查服役時(shí)螺釘是否存在氫脆現(xiàn)象，在服役一段時(shí)間后使用扭力扳手將其重新擰緊，當(dāng)力矩達(dá)到3～4 N·m(小于安裝時(shí)的力矩6 N·m)時(shí)，5%10%的螺釘發(fā)生斷裂，斷裂位置在靠近螺釘頭部的第一扣螺紋處。該批次螺釘?shù)募庸ち鞒虨镾WRCH22A鋼(直徑6 mm)→打頭(冷墩成型)→清洗→搓牙→熱處理→鍍鋅→氫脆測(cè)試。熱處理后螺釘表面0.05 mm深度范圍內(nèi)的滲碳層硬度(載荷為2.942 N)應(yīng)達(dá)到520～670 HV，心部硬度達(dá)到240～370 HV，滲碳層深度為0.100.23 mm；表面鍍鋅層厚度達(dá)到816 μm。為了找到螺釘?shù)臄嗔言?，作者?duì)其進(jìn)行了失效分析。
圖1 螺釘服役位置示意Fig.1 Schematic of service position of screws
1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果
1.1 宏觀形貌
所有斷裂螺釘?shù)臄嗔盐恢煤秃暧^斷口形貌均類似，因此隨機(jī)選取一枚斷裂螺釘，采用LEICA M205A型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌觀察。由圖2可以看出：螺釘于靠近螺頭的第一扣螺紋處發(fā)生斷裂，斷裂后螺紋部分還保留在卡箍上，表面鍍鋅層未見(jiàn)明顯損傷；斷口較潔凈，未見(jiàn)明顯塑性變形和腐蝕特征，整體較平整、細(xì)膩，存在少量機(jī)械擦傷；斷口大致和螺釘?shù)妮S線方向垂直，具有氫脆型斷裂的典型宏觀特征。
圖2 斷裂螺釘及其螺帽斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured screw and screw head fracture
1.2 顯微組織
將未斷裂螺釘和斷裂螺釘螺頭剖開(kāi)，經(jīng)鑲嵌、磨拋和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA M205A型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出：斷裂螺釘螺頭表面存在滲碳層特征，斷裂位置為靠近螺頭的第一扣螺紋根部，斷裂面大致和螺桿軸線垂直，螺頭與螺桿的過(guò)渡圓弧半徑為0.391 mm，符合技術(shù)要求；未斷裂螺釘?shù)谋砻嬉泊嬖跐B碳層特征，且滲碳層較為均勻，未見(jiàn)明顯缺陷和異常，螺頭與螺桿的過(guò)渡圓弧半徑為0.394 mm,略大于斷裂螺釘?shù)摹?/p>
圖3 斷裂螺釘和未斷裂螺釘螺頭剖面的低倍顯微組織Fig.3 Microstructures at low magnification of fractured (a) and unfractured (b) screw head profile
在斷裂螺釘螺桿上沿軸向截取試樣，經(jīng)鑲嵌,磨拋后在LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察微觀形貌；在螺桿表面滲碳層和心部取樣，經(jīng)鑲嵌，磨拋，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。
由圖4可以看出：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，未見(jiàn)其他明顯缺陷；斷裂螺釘表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體。
圖4 斷裂螺釘螺桿剖面形貌及表面滲碳層和心部顯微組織Fig.4 Profile morphology (a) and microstructures of surface carburized layer (b) and core (c) of fractured screw
1.3 斷口形貌
采用超聲波清洗儀清洗螺頭斷口，在Quanta 400FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察斷口形貌。由圖5可以看出：螺頭斷口整體比較平整，靠近邊緣位置較為細(xì)膩，存在多個(gè)臺(tái)階特征，說(shuō)明螺釘發(fā)生多源斷裂，靠近中心的大部分區(qū)域較為粗糙；靠近邊緣位置有一處顏色較深(位置①)，放大后可見(jiàn)沿晶斷裂形貌，且存在機(jī)械擦傷痕跡；另一處區(qū)域(位置②)為沿晶+準(zhǔn)解理+少量韌窩形貌，存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線，放大后可見(jiàn)次表面出現(xiàn)沿晶斷裂現(xiàn)象；斷口近中心區(qū)域(位置③)較粗糙，主要斷裂特征為準(zhǔn)解理+少量韌窩+沿晶，且存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線。
圖5 螺釘斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of screw fracture: (a) low-magnification morphology; (b) enlarged view of position ①;(c) enlarged view of position ② and (d) enlarged view of position ③
1.4 鍍層厚度
在螺釘頭部斷口上，采用LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡測(cè)量鍍鋅層厚度。頭部曲面鍍鋅層厚度測(cè)試值分別為12.41，11.41，12.61，12.41，11.41 μm，平均厚度為12.05 μm，滿足客戶公司的生產(chǎn)技術(shù)要求(8～16 μm)。
1.5 顯微硬度
采用FM-800型顯微硬度計(jì)測(cè)定螺紋根部截面和螺桿心部的硬度，載荷為2.94 N，保載時(shí)間為15 s。在距離螺紋根部表面0.05，0.10，0.15，0.20 mm處的顯微硬度分別為560，490，485，449 HV，滿足技術(shù)要求；硬度高于450 HV的為硬化層，則硬化層深度為0.15 mm左右，滿足表面硬化層深度在0.10～0.23 mm的技術(shù)要求；心部硬度測(cè)試值為362 HV，滿足客戶公司規(guī)定的技術(shù)要求(240～370 HV)。
1.6 螺釘受力分析
螺釘連接形式如圖6所示，橢圓部分為一塊類似于螺帽的帶螺紋墊片，起到增大受力面積、提高穩(wěn)定性的作用。利用CAD軟件構(gòu)建螺釘?shù)亩S圖，導(dǎo)入到Ansys軟件中進(jìn)行三維建模。三維模型完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示，采用四面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 045，單元數(shù)為22 523。對(duì)模型擬施加500 MPa載荷進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，螺釘在服役時(shí)，受力較大的位置位于與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部，其中靠近螺頭的第一扣螺紋為最大受力點(diǎn)，這和實(shí)際螺釘?shù)臄嗔盐恢梦呛稀?/p>
圖6 螺釘連接示意Fig.6 Schematic of screw connection
圖7 螺釘?shù)挠邢拊Ｐ图熬W(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element model and mesh division of screw
圖8 螺釘應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of screw
2 斷裂原因分析
由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，與該位置應(yīng)力較大的模擬結(jié)果吻合；螺釘硬度、表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體；斷口較平整，未見(jiàn)明顯的塑性變形和腐蝕特征，斷裂起源于靠近螺釘頭部的第一扣螺紋處，具有多源特征，邊緣區(qū)域和中心區(qū)域均存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線，呈氫脆型斷裂的典型特征；螺釘硬度、表面鍍鋅層厚度、滲碳層深度等均滿足技術(shù)要求；有限元仿真表明，服役過(guò)程中與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部受力較大，其中最大受力位置為靠近螺釘頭部的第一扣螺紋根部，與實(shí)際螺釘?shù)臄嗔盐恢梦呛稀?/p>
螺釘在裝配時(shí)施加了較大的力矩，其軸向承受著恒定的拉應(yīng)力；在服役若干時(shí)間后，在較小力矩(小于裝配時(shí)的)作用下再次擰緊時(shí)發(fā)生斷裂，說(shuō)明螺釘在服役過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生開(kāi)裂，承載能力下降。綜上判斷，斷裂螺釘是在恒定拉應(yīng)力作用下發(fā)生了延遲性氫脆斷裂。
螺栓、螺釘?shù)染o固件在服役過(guò)程中常發(fā)生氫脆型斷裂[1-3]。氫脆斷裂的發(fā)生需要滿足3個(gè)條件：材料本身具有氫脆敏感組織，載荷恒定以及氫元素環(huán)境[4]。該螺釘要求表面滲碳，并且螺釘尺寸較小，可完全淬透，最終熱處理后的表面組織和心部組織均存在對(duì)氫脆較為敏感的回火馬氏體[5]。在后續(xù)鍍鋅過(guò)程或螺釘服役過(guò)程中，氫原子進(jìn)入螺釘組織內(nèi)部，向應(yīng)力集中明顯的螺紋聚集；當(dāng)氫濃度達(dá)到氫脆型斷裂所需要的臨界氫濃度時(shí),螺釘發(fā)生氫脆斷裂[6-7]。
3 結(jié)論及措施
(1) 螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為氫脆斷裂。螺釘經(jīng)熱處理后形成了具有較大氫脆敏感性的馬氏體組織；在后續(xù)鍍鋅或服役過(guò)程中，氫原子進(jìn)入組織內(nèi)部。同時(shí)，服役時(shí)螺釘承受恒定拉應(yīng)力作用，在螺紋根部產(chǎn)生較大應(yīng)力。氫原子向應(yīng)力集中明顯的螺紋根部聚集，導(dǎo)致裂紋萌生并擴(kuò)展。最終，螺釘在應(yīng)力集中程度最高的第一扣螺紋根部發(fā)生斷裂 。
(2) 為避免類似事故發(fā)生，建議鍍鋅時(shí)選用偏堿性的電鍍?nèi)芤?，電鍍完成后，在鍍鋅層未鈍化前進(jìn)行充分的除氫，即將螺釘放入溫度為200220 ℃的爐中除氫2 h以上，使氫氣有足夠的時(shí)間逸出；在保證承載能力條件下，建議增大螺牙底部圓角半徑以減緩應(yīng)力集中。
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圖1 螺釘服役位置示意Fig.1 Schematic of service position of screws
1 理化檢驗(yàn)及結(jié)果
1.1 宏觀形貌
所有斷裂螺釘?shù)臄嗔盐恢煤秃暧^斷口形貌均類似，因此隨機(jī)選取一枚斷裂螺釘，采用LEICA M205A型光學(xué)顯微鏡進(jìn)行宏觀形貌觀察。由圖2可以看出：螺釘于靠近螺頭的第一扣螺紋處發(fā)生斷裂，斷裂后螺紋部分還保留在卡箍上，表面鍍鋅層未見(jiàn)明顯損傷；斷口較潔凈，未見(jiàn)明顯塑性變形和腐蝕特征，整體較平整、細(xì)膩，存在少量機(jī)械擦傷；斷口大致和螺釘?shù)妮S線方向垂直，具有氫脆型斷裂的典型宏觀特征。
圖2 斷裂螺釘及其螺帽斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured screw and screw head fracture
1.2 顯微組織
將未斷裂螺釘和斷裂螺釘螺頭剖開(kāi)，經(jīng)鑲嵌、磨拋和4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA M205A型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出：斷裂螺釘螺頭表面存在滲碳層特征，斷裂位置為靠近螺頭的第一扣螺紋根部，斷裂面大致和螺桿軸線垂直，螺頭與螺桿的過(guò)渡圓弧半徑為0.391 mm，符合技術(shù)要求；未斷裂螺釘?shù)谋砻嬉泊嬖跐B碳層特征，且滲碳層較為均勻，未見(jiàn)明顯缺陷和異常，螺頭與螺桿的過(guò)渡圓弧半徑為0.394 mm,略大于斷裂螺釘?shù)摹?/p>
圖3 斷裂螺釘和未斷裂螺釘螺頭剖面的低倍顯微組織Fig.3 Microstructures at low magnification of fractured (a) and unfractured (b) screw head profile
在斷裂螺釘螺桿上沿軸向截取試樣，經(jīng)鑲嵌,磨拋后在LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡下觀察微觀形貌；在螺桿表面滲碳層和心部取樣，經(jīng)鑲嵌，磨拋，用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡觀察顯微組織。
由圖4可以看出：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，未見(jiàn)其他明顯缺陷；斷裂螺釘表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體。
圖4 斷裂螺釘螺桿剖面形貌及表面滲碳層和心部顯微組織Fig.4 Profile morphology (a) and microstructures of surface carburized layer (b) and core (c) of fractured screw
1.3 斷口形貌
采用超聲波清洗儀清洗螺頭斷口，在Quanta 400FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察斷口形貌。由圖5可以看出：螺頭斷口整體比較平整，靠近邊緣位置較為細(xì)膩，存在多個(gè)臺(tái)階特征，說(shuō)明螺釘發(fā)生多源斷裂，靠近中心的大部分區(qū)域較為粗糙；靠近邊緣位置有一處顏色較深(位置①)，放大后可見(jiàn)沿晶斷裂形貌，且存在機(jī)械擦傷痕跡；另一處區(qū)域(位置②)為沿晶+準(zhǔn)解理+少量韌窩形貌，存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線，放大后可見(jiàn)次表面出現(xiàn)沿晶斷裂現(xiàn)象；斷口近中心區(qū)域(位置③)較粗糙，主要斷裂特征為準(zhǔn)解理+少量韌窩+沿晶，且存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線。
圖5 螺釘斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of screw fracture: (a) low-magnification morphology; (b) enlarged view of position ①;(c) enlarged view of position ② and (d) enlarged view of position ③
1.4 鍍層厚度
在螺釘頭部斷口上，采用LEICA DMI5000M型光學(xué)顯微鏡測(cè)量鍍鋅層厚度。頭部曲面鍍鋅層厚度測(cè)試值分別為12.41，11.41，12.61，12.41，11.41 μm，平均厚度為12.05 μm，滿足客戶公司的生產(chǎn)技術(shù)要求(8～16 μm)。
1.5 顯微硬度
采用FM-800型顯微硬度計(jì)測(cè)定螺紋根部截面和螺桿心部的硬度，載荷為2.94 N，保載時(shí)間為15 s。在距離螺紋根部表面0.05，0.10，0.15，0.20 mm處的顯微硬度分別為560，490，485，449 HV，滿足技術(shù)要求；硬度高于450 HV的為硬化層，則硬化層深度為0.15 mm左右，滿足表面硬化層深度在0.10～0.23 mm的技術(shù)要求；心部硬度測(cè)試值為362 HV，滿足客戶公司規(guī)定的技術(shù)要求(240～370 HV)。
1.6 螺釘受力分析
螺釘連接形式如圖6所示，橢圓部分為一塊類似于螺帽的帶螺紋墊片，起到增大受力面積、提高穩(wěn)定性的作用。利用CAD軟件構(gòu)建螺釘?shù)亩S圖，導(dǎo)入到Ansys軟件中進(jìn)行三維建模。三維模型完成后進(jìn)行網(wǎng)格劃分，如圖7所示，采用四面體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為58 045，單元數(shù)為22 523。對(duì)模型擬施加500 MPa載荷進(jìn)行仿真，結(jié)果見(jiàn)圖8。由圖8可以看出，螺釘在服役時(shí)，受力較大的位置位于與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部，其中靠近螺頭的第一扣螺紋為最大受力點(diǎn)，這和實(shí)際螺釘?shù)臄嗔盐恢梦呛稀?/p>
圖6 螺釘連接示意Fig.6 Schematic of screw connection
圖7 螺釘?shù)挠邢拊Ｐ图熬W(wǎng)格劃分Fig.7 Finite element model and mesh division of screw
圖8 螺釘應(yīng)力分布Fig.8 Stress distribution of screw
2 斷裂原因分析
由理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，與該位置應(yīng)力較大的模擬結(jié)果吻合；螺釘硬度、表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體；斷口較平整，未見(jiàn)明顯的塑性變形和腐蝕特征，斷裂起源于靠近螺釘頭部的第一扣螺紋處，具有多源特征，邊緣區(qū)域和中心區(qū)域均存在二次裂紋，晶界上可見(jiàn)撕裂棱線，呈氫脆型斷裂的典型特征；螺釘硬度、表面鍍鋅層厚度、滲碳層深度等均滿足技術(shù)要求；有限元仿真表明，服役過(guò)程中與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部受力較大，其中最大受力位置為靠近螺釘頭部的第一扣螺紋根部，與實(shí)際螺釘?shù)臄嗔盐恢梦呛稀?/p>
螺釘在裝配時(shí)施加了較大的力矩，其軸向承受著恒定的拉應(yīng)力；在服役若干時(shí)間后，在較小力矩(小于裝配時(shí)的)作用下再次擰緊時(shí)發(fā)生斷裂，說(shuō)明螺釘在服役過(guò)程中已經(jīng)發(fā)生開(kāi)裂，承載能力下降。綜上判斷，斷裂螺釘是在恒定拉應(yīng)力作用下發(fā)生了延遲性氫脆斷裂。
螺栓、螺釘?shù)染o固件在服役過(guò)程中常發(fā)生氫脆型斷裂[1-3]。氫脆斷裂的發(fā)生需要滿足3個(gè)條件：材料本身具有氫脆敏感組織，載荷恒定以及氫元素環(huán)境[4]。該螺釘要求表面滲碳，并且螺釘尺寸較小，可完全淬透，最終熱處理后的表面組織和心部組織均存在對(duì)氫脆較為敏感的回火馬氏體[5]。在后續(xù)鍍鋅過(guò)程或螺釘服役過(guò)程中，氫原子進(jìn)入螺釘組織內(nèi)部，向應(yīng)力集中明顯的螺紋聚集；當(dāng)氫濃度達(dá)到氫脆型斷裂所需要的臨界氫濃度時(shí),螺釘發(fā)生氫脆斷裂[6-7]。
3 結(jié)論及措施
(1) 螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為氫脆斷裂。螺釘經(jīng)熱處理后形成了具有較大氫脆敏感性的馬氏體組織；在后續(xù)鍍鋅或服役過(guò)程中，氫原子進(jìn)入組織內(nèi)部。同時(shí)，服役時(shí)螺釘承受恒定拉應(yīng)力作用，在螺紋根部產(chǎn)生較大應(yīng)力。氫原子向應(yīng)力集中明顯的螺紋根部聚集，導(dǎo)致裂紋萌生并擴(kuò)展。最終，螺釘在應(yīng)力集中程度最高的第一扣螺紋根部發(fā)生斷裂 。
(2) 為避免類似事故發(fā)生，建議鍍鋅時(shí)選用偏堿性的電鍍?nèi)芤?，電鍍完成后，在鍍鋅層未鈍化前進(jìn)行充分的除氫，即將螺釘放入溫度為200220 ℃的爐中除氫2 h以上，使氫氣有足夠的時(shí)間逸出；在保證承載能力條件下，建議增大螺牙底部圓角半徑以減緩應(yīng)力集中。
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