緊固件的典型失效形式

王 慧 劉海波 朱先華 祁永東 王安友 胡 杰 賴建明

(1.浙江國(guó)檢檢測(cè)技術(shù)股份有限公司，浙江 海鹽 314300；2.嘉興市南湖區(qū)社會(huì)福利保障指導(dǎo)中心，浙江 嘉興 314000；3.上海大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，上海 200444)

緊固件被稱為“工業(yè)之米”，是應(yīng)用最廣泛的基礎(chǔ)零件之一。緊固件是傳遞載荷的重要連接節(jié)點(diǎn)，其可靠性與整個(gè)裝備或結(jié)構(gòu)的安全可靠運(yùn)行密切相關(guān)。隨著我國(guó)制造業(yè)水平的提高和對(duì)產(chǎn)品可靠性的愈發(fā)重視，對(duì)緊固件失效的關(guān)注度也越來越高。失效分析是提高產(chǎn)品可靠性的重要途徑，有助于改進(jìn)設(shè)計(jì)、預(yù)防事故再次發(fā)生。對(duì)緊固件的失效機(jī)制及其預(yù)防措施的研究，不僅是緊固件制造、使用單位面臨的重要問題，也是緊固件檢測(cè)試驗(yàn)機(jī)構(gòu)的工作重點(diǎn)[1]。

固件主要通過螺栓、螺桿、螺釘?shù)鹊耐饴菁y和螺母、盲孔等的內(nèi)螺紋將被連接部件緊固并傳遞載荷，通常處于靜止?fàn)顟B(tài)，較少發(fā)生磨損失效，最常見的失效形式是斷裂[2]。由于內(nèi)螺紋的設(shè)計(jì)承載性能通常高于相應(yīng)等級(jí)的外螺紋，實(shí)際上外螺紋失效的產(chǎn)品居多。本文主要論述外螺紋緊固件的失效形式。

1 緊固件失效形式統(tǒng)計(jì)

對(duì)近年來檢測(cè)的1 203個(gè)緊固件失效案例進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，有關(guān)數(shù)據(jù)如表1所示。可以發(fā)現(xiàn)，疲勞和氫脆是緊固件最常見的失效形式，兩者的總數(shù)超過八成。另外，不同的應(yīng)用領(lǐng)域，緊固件的失效形式也不同。如在汽車行業(yè)，由于普遍采用高強(qiáng)度緊固件和電鍍工藝，因此氫脆失效較為常見；而在風(fēng)電領(lǐng)域，目前普遍采用不高于10.9級(jí)的緊固件和達(dá)克羅工藝，氫脆發(fā)生的概率相對(duì)較低，而疲勞斷裂較為普遍。

表1 不同領(lǐng)域應(yīng)用的緊固件的失效形式(1 203件樣本)

2 過載

緊固件的過載失效是指外力超過其承載極限而發(fā)生的失效，主要包括韌性過載斷裂、脆性過載斷裂和“脫扣”等。緊固件的受力主要有裝配預(yù)緊力和工作載荷，承受彎曲和剪切載荷的情況較少，滿足設(shè)計(jì)要求的預(yù)緊力可保證螺栓在使用中承受較小的載荷，避免其承受彎曲、剪切載荷，并可有效降低疲勞載荷。對(duì)于高強(qiáng)度緊固件，通常預(yù)緊力都比較大，可達(dá)到螺栓理論保證載荷的70%以上，因此螺栓的過載失效通常在裝配階段就會(huì)發(fā)生，少部分在服役過程中過載斷裂也往往是由于其他結(jié)構(gòu)的損壞而導(dǎo)致的。引起過載失效的原因主要有：(1)螺紋尺寸不配、脫碳或旋合長(zhǎng)度不足造成螺紋脫扣；(2)材料強(qiáng)度不足、內(nèi)部缺陷或裂紋等原因造成螺栓承載力不足而發(fā)生斷裂；(3)由于裝配工藝不合理,預(yù)緊力超過螺栓的正常承載能力而斷裂。

圖1為裝配過程中發(fā)生斷裂失效的某10.9級(jí)風(fēng)電塔筒螺栓，斷口附近無明顯塑性變形，斷裂特征與韌性過載的差異較大，裂紋源于螺栓心部，呈放射狀向外側(cè)擴(kuò)展。檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，螺栓材料有明顯的帶狀偏析、顯微疏松和裂紋，這些缺陷導(dǎo)致螺栓承載能力不足而斷裂，采用42CrMo、B7、40CrNiMo鋼制造的M36以上大規(guī)格螺栓較易發(fā)生。該類缺陷主要是鋼材在凝固過程中形成的成分偏析及疏松缺陷引起的，偏析嚴(yán)重不但會(huì)引起異常斷裂，還會(huì)增大螺栓的淬火開裂傾向，影響低溫沖擊性能和斷面收縮率[3]。這類成分偏析屬于微觀偏析，與GB/T 6478—2015《冷鐓和冷擠壓用鋼》中的低倍偏析不同，由于缺乏相應(yīng)的檢測(cè)方法和判定依據(jù)，鋼廠和緊固件制造企業(yè)鮮有將此類缺陷納入驗(yàn)收檢查項(xiàng)目。但隨著大規(guī)格風(fēng)電螺栓用量的增大，此類缺陷造成的失效案例也越來越多。近年出版的GB/T 34474.1—2017《鋼中帶狀組織的評(píng)定 第1部分：標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖法》和GB/T 34474.2—2018《鋼中帶狀組織的評(píng)定第2部分：定量法》對(duì)此類缺陷有更明確的定義和檢測(cè)方法，有助于加強(qiáng)原材料的質(zhì)量控制。

圖1 成分偏析導(dǎo)致斷裂的螺栓斷口的宏觀形貌(a)及其中裂紋(b)

動(dòng)車組M30以上大規(guī)格螺栓普遍采用人工控制的感應(yīng)加熱和熱鍛工藝進(jìn)行生產(chǎn)，勞動(dòng)強(qiáng)度大且易過熱甚至過燒，使螺栓發(fā)生過載斷裂。圖2為裝配時(shí)頭部斷裂的某動(dòng)車組用螺栓的斷口形貌和顯微組織。圖2表明：斷口有沿晶斷裂特征，晶粒圓鈍，并有大量顯微孔洞，為典型的過燒特征；經(jīng)飽和苦味酸溶液腐蝕后可見雙重晶界，即除了正常的原奧氏體晶界，還出現(xiàn)過燒形成的黑色粗大晶界。因此采用紅外測(cè)溫和自動(dòng)控制是熱鍛螺栓質(zhì)量控制的發(fā)展趨勢(shì)[4]。

圖2 過燒導(dǎo)致斷裂的螺栓斷口的微觀形貌(a)及其顯微組織(b)

在某些情況下，需對(duì)高強(qiáng)度螺栓施加接近或達(dá)到其屈服強(qiáng)度的裝配預(yù)緊力，裝配工藝不合理也可能導(dǎo)致過載斷裂。螺栓的預(yù)緊力與裝配扭矩之間的關(guān)系如式(1)所示。

F=T/(K·d)

(1)

式中：F為預(yù)緊力，T為裝配扭矩，K為扭矩系數(shù)，d為螺紋公稱直徑。由于扭矩系數(shù)K具有離散性且受環(huán)境影響而產(chǎn)生波動(dòng)，裝配時(shí)難以將預(yù)緊力精確控制在其屈服點(diǎn)附近，若K值偏小，就可能造成預(yù)緊力超過螺栓的最大承載力而斷裂。某柴油發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋螺栓在采用扭矩法控制裝配時(shí)發(fā)生斷裂，分析發(fā)現(xiàn)，該批螺栓力學(xué)性能符合要求，但由于扭矩系數(shù)離散性較大，部分螺栓在裝配時(shí)發(fā)生過擰斷裂。通過分析模擬裝配曲線發(fā)現(xiàn)，在擰緊螺栓到屈服點(diǎn)至斷裂的過程中，扭矩波動(dòng)較小，難以通過設(shè)置扭矩閥值來控制裝配，如圖3所示。因此，當(dāng)所需的預(yù)緊力接近或達(dá)到螺栓屈服點(diǎn)時(shí)，采用扭矩控制法裝配是不合理的，宜采用扭矩加角度控制的裝配方法[5]。

圖3 螺栓的模擬裝配曲線

3 氫脆

氫脆是材料(零件)在低于抗拉強(qiáng)度的張應(yīng)力下，經(jīng)過一段孕育期后突然斷裂失效，具有典型的延遲斷裂特征，通常是在緊固件裝配預(yù)緊后的幾十分鐘到幾個(gè)月的時(shí)間內(nèi)突然發(fā)生的，斷裂前沒有任何征兆，危害性較大。氫脆的發(fā)生主要與材料的硬度、含氫量及受到的張應(yīng)力等因素有關(guān)。材料的硬度越高、基體含氫量越大、張應(yīng)力越大，氫脆越容易發(fā)生[6]。因此，發(fā)生氫脆的通常為10.9級(jí)(硬度320 HV以上)及以上級(jí)別或經(jīng)過滲碳處理的緊固件。

是否具有延遲斷裂特征是判斷緊固件氫脆斷裂的重要依據(jù)。氫脆斷口的宏觀特征為近表面有明顯的點(diǎn)狀裂紋，如圖4(a)所示，微觀上呈“冰糖狀”沿晶斷裂形貌，且晶粒表面有雞爪狀撕裂棱和晶間二次裂紋，這也是區(qū)分氫脆與回火脆性斷口的重要特征，見圖4(b)。如果符合延遲斷裂和斷口特征兩個(gè)判據(jù)，基本上可以斷定是氫脆斷裂，氫含量的檢測(cè)可作為輔助手段。值得指出的是，分析氫脆失效案例時(shí)不能陷入誤區(qū)，即認(rèn)為氫脆一定是氫含量過高引起的。實(shí)質(zhì)上氫脆是多種因素共同作用的結(jié)果，很多具有明顯氫脆斷裂特征的高強(qiáng)度緊固件，其氫含量并不高，有些甚至在氫含量低于1×10-6的情況下也發(fā)生延遲斷裂。一方面，材料的強(qiáng)度越高，對(duì)氫越敏感，較低氫含量也可誘發(fā)氫脆；另一方面，目前普遍采用的熱熔測(cè)氫法是測(cè)定1 g左右材料的平均氫含量，而實(shí)際上氫在材料中的分布是不均勻的，氫會(huì)在應(yīng)力集中、位錯(cuò)和空位等微觀缺陷密度較高的部位富集，這意味著在裂紋孕育和萌生的過程中，裂紋尖端局部氫含量比實(shí)際檢測(cè)的要高很多。另外，氫在常溫下也能擴(kuò)散，會(huì)在張應(yīng)力大的區(qū)域富集，導(dǎo)致材料(尤其是晶粒間)的累計(jì)損傷，進(jìn)而引發(fā)延遲斷裂[7-8]。

圖4 氫脆斷裂螺栓斷口的宏觀(a)和微觀(b)形貌

根據(jù)誘發(fā)氫脆的因素，可從選材和制作等方面采取措施防止其發(fā)生。采用真空爐冶煉的緊固件用鋼，其氫含量通常較低，一般不超過1.5×10-6，但目前大部分緊固件用鋼的標(biāo)準(zhǔn)中還沒有明確氫含量指標(biāo)。緊固件中的氫除了來自原材料外，還可能來自熱處理、表面處理、機(jī)械加工、服役環(huán)境等途徑，尤其是表面處理過程中滲入氫，因此在12.9級(jí)及以上強(qiáng)度等級(jí)的緊固件生產(chǎn)過程中，應(yīng)避免采用電解除油、酸洗、電鍍、磷化等工藝；10.9級(jí)的外螺紋緊固件和滲碳的自攻釘類產(chǎn)品應(yīng)在完成電鍍后4 h內(nèi)進(jìn)行去氫處理[9]。在設(shè)計(jì)和選用緊固件時(shí)，盡可能避免采用過高強(qiáng)度等級(jí)的產(chǎn)品，這是避免氫脆發(fā)生的有效措施。為適應(yīng)裝備輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，采用超高強(qiáng)度緊固件也是未來的發(fā)展方向。目前，14.9級(jí)馬氏體和16.8級(jí)貝氏體超高強(qiáng)度緊固件已有應(yīng)用，對(duì)于這種緊固件，如何預(yù)防和避免氫脆是重要的研究課題。

另外，緊固件表面增碳也是引起氫脆的重要原因。增碳可提高緊固件的表面硬度，表面又是氫富集區(qū)，兩者共同作用大大增加了氫脆的發(fā)生概率，甚至某些8.8級(jí)的緊固件在增碳后也會(huì)發(fā)生氫脆。因此GB/T 3098.1等相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中，對(duì)于10.9級(jí)及以上等級(jí)的緊固件，增加了增碳和最高表面硬度兩項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，目的是控制氫脆的發(fā)生。在實(shí)際案例中，由增碳引起的氫脆主要發(fā)生在含碳量較低的高強(qiáng)度緊固件中，如采用10B21、20MnTiB、20CrMnTi等鋼制作的10.9級(jí)緊固件。這是因?yàn)?0.9級(jí)螺栓最常用的是含碳量(質(zhì)量分?jǐn)?shù))為0.40%～0.45%的中碳鋼，如40Cr、42CrMo和B7鋼等，因此熱處理生產(chǎn)線的爐氣氛碳勢(shì)一般與這些材料相匹配，當(dāng)處理碳含量較低的材料時(shí)，若沒有調(diào)整碳勢(shì)，就會(huì)造成產(chǎn)品增碳。

4 疲勞

緊固件疲勞破壞的應(yīng)力往往遠(yuǎn)低于其靜載荷下的強(qiáng)度極限，屬于脆性斷裂，且斷裂征兆不明顯，是緊固件最常見、危害最大的失效形式。緊固件特有的螺紋結(jié)構(gòu)是產(chǎn)生疲勞的“先天因素”。一方面，螺紋應(yīng)力集中系數(shù)可達(dá)4～9，屬于嚴(yán)重應(yīng)力集中結(jié)構(gòu)；另一方面，內(nèi)、外螺紋旋合后，每扣螺紋承受的載荷是不均勻的，第一扣旋合螺紋承受的載荷約為總載荷的1/3，因此螺栓的疲勞基本上起源于螺紋副旋合的第一扣螺紋的牙底[10]。由于螺栓的結(jié)構(gòu)特殊，導(dǎo)致其疲勞強(qiáng)度一般只有材料抗拉強(qiáng)度的1/15～1/10，當(dāng)螺紋存在缺陷時(shí)，如增碳、脫碳、加工造成的尖角、流線切斷、中徑以下的折疊等，其疲勞強(qiáng)度會(huì)更低。根據(jù)上述特點(diǎn)，可以選擇抗疲勞性能更好的螺紋結(jié)構(gòu)，比如：普通粗牙螺紋的疲勞性能優(yōu)于細(xì)牙螺紋；由于MJ螺紋牙底過渡弧半徑(其螺紋牙底的半徑達(dá)到0.150P，P為螺距)高于普通螺紋(0.125P)，因此其疲勞性能明顯優(yōu)于普通螺紋；滾壓加工的螺紋比切削加工的螺紋抗疲勞性能更好；采用熱處理后再滾壓成形的工藝，不僅保留了螺紋牙底流線的密集和完整性，同時(shí)產(chǎn)生殘余壓應(yīng)力，使其抗高周疲勞性能明顯優(yōu)于熱處理前滾壓成形的螺紋[11-12]。

當(dāng)然，提高螺栓疲勞性能的最有效途徑是降低螺栓承受的交變載荷。通過理論計(jì)算可知，螺栓服役過程中承受的疲勞載荷與被連接件承受的疲勞載荷存在如下關(guān)系：

(2)

式中：Fa為螺栓受到的疲勞載荷，F(xiàn)A為被連接件受到的疲勞載荷，C1為螺栓的剛度系數(shù)，C2為被連接件的剛度系數(shù)。可見，降低螺栓的剛度系數(shù)可降低其服役過程中承受的疲勞載荷幅，因此如果對(duì)抗疲勞性能要求高，可選用細(xì)長(zhǎng)的螺栓，如連桿螺栓和風(fēng)電葉片螺栓等[13]。值得指出的是，式(2)是建立在螺栓預(yù)緊力足夠大、被連接件接觸面不分離的前提下的，當(dāng)螺栓的預(yù)緊力不足或外部載荷使被連接件接觸面分離時(shí)，被連接件承受的外部載荷將全部轉(zhuǎn)移到螺栓上，使螺栓承受的疲勞載荷幅急劇增大，加速其疲勞失效。因此在緊固件的失效分析中總結(jié)出了“十個(gè)疲勞九個(gè)松”的規(guī)律。

服役過程中發(fā)生疲勞斷裂的螺栓通常有一定時(shí)間的裂紋擴(kuò)展期，在此期間，由于環(huán)境的變化，不同階段擴(kuò)展的裂紋會(huì)形成有襯度的條紋，在宏觀上表現(xiàn)為典型的“海灘紋”或“貝殼紋”，如圖5(a)所示。當(dāng)環(huán)境條件變化不大或短時(shí)間內(nèi)發(fā)生疲勞斷裂時(shí)，如在密閉的發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)或?qū)嶒?yàn)室進(jìn)行臺(tái)架試驗(yàn)時(shí)發(fā)生疲勞斷裂的螺栓，其“海灘紋”可能不明顯，通過掃描電鏡觀察斷口的微觀形貌，斷口的裂紋擴(kuò)展區(qū)可見一系列幾百納米到微米級(jí)間隔的平行條帶，稱為“疲勞條帶”，如圖5(b)所示。這是疲勞斷口典型的微觀特征，從疲勞條帶的間隔大小和分布還可以推斷疲勞載荷幅的大小和經(jīng)歷的載荷周次，對(duì)疲勞斷裂進(jìn)行定量分析[14]。

圖5 螺栓斷口的“海灘紋”(a)和疲勞條帶(b)

5 應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞

在腐蝕介質(zhì)作用下，螺栓的疲勞門檻值會(huì)顯著降低，承受動(dòng)載荷的螺栓發(fā)生疲勞的概率也會(huì)顯著增大。腐蝕疲勞和應(yīng)力腐蝕的裂紋通常起源于腐蝕坑，沿晶開裂較為常見。腐蝕疲勞裂紋通常是穿晶擴(kuò)展，而應(yīng)力腐蝕的裂紋通常是沿晶擴(kuò)展，也有部分是穿晶擴(kuò)展，如奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕有時(shí)表現(xiàn)為樹枝狀的穿晶擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞的斷口通常有泥狀腐蝕產(chǎn)物，通過能譜分析可檢測(cè)其中的腐蝕性介質(zhì)，這是區(qū)分兩者與其他斷裂形式的有效手段。圖6為固定軌道車輛受電弓的螺栓螺紋底部的腐蝕疲勞裂紋[16]。緊固件表面缺陷(如折疊和微裂紋等)會(huì)導(dǎo)致腐蝕介質(zhì)滲入缺陷內(nèi)部，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕或腐蝕疲勞裂紋的產(chǎn)生。

圖6 螺栓的腐蝕疲勞裂紋

6 其他

除了上述較為常見的失效形式外，某些在特定場(chǎng)合服役、用特殊材料或工藝制造的緊固件還可能表現(xiàn)為其他失效形式，如液態(tài)金屬致脆、松弛蠕變、腐蝕等。液態(tài)金屬致脆是指材料暴露在液態(tài)金屬中，引起塑性降低乃至低應(yīng)力脆斷的現(xiàn)象，主要發(fā)生在有低熔點(diǎn)金屬鍍層(如鍍錫、鎘)或服役時(shí)與低熔點(diǎn)金屬接觸的緊固件上(如Li、Na、K、Hg、Ca、Zn、及Pb-Bi、Ni-Sn合金等)，當(dāng)緊固件與這些液態(tài)金屬接觸潤(rùn)濕后，在張應(yīng)力作用下，材料逐漸發(fā)脆、斷裂，其機(jī)制與應(yīng)力腐蝕類似。

某型柴油機(jī)4Cr9Si2鋼排氣管耐熱螺栓，臺(tái)架試驗(yàn)后密封面漏氣、螺栓斷裂。檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)其原因是，螺栓服役環(huán)境溫度高達(dá)500 ℃，4Cr9Si2鋼螺栓發(fā)生了明顯的松弛和蠕變。

緊固件的腐蝕通常會(huì)影響外觀質(zhì)量，并造成拆卸困難，也偶有因腐蝕引發(fā)斷裂事故的案例。圖7為某電站循環(huán)水泵的S32750雙相不銹鋼螺栓，在服役約2年后發(fā)生嚴(yán)重的腐蝕、斷裂。檢測(cè)分析發(fā)現(xiàn)，該批螺栓奧氏體和鐵素體兩相界面有大量σ相，見圖7(b)，這些有害相在螺栓服役環(huán)境中首先被腐蝕，造成螺栓剝落、斷裂。

圖7 因σ相腐蝕而斷裂的雙相不銹鋼螺栓(a)和螺栓中的σ相(b)

7 結(jié)束語

緊固件應(yīng)用廣泛，使用條件多變，失效形式也多種多樣?？傮w上，氫脆和疲勞是目前高強(qiáng)度緊固件最常見也是損失最大的失效形式。緊固件整個(gè)生命周期中都可能存在失效的風(fēng)險(xiǎn)，緊固件的質(zhì)量管理工作可從失效案例中借鑒經(jīng)驗(yàn)，將失效分析作為工具，以預(yù)防作為抓手，從緊固件設(shè)計(jì)、選材、成形、熱處理、表面處理、裝配、維護(hù)等環(huán)節(jié)查找潛在的導(dǎo)致其失效的因素，降低失效發(fā)生率，這對(duì)提高我國(guó)緊固件的制造和應(yīng)用水平乃至機(jī)械裝備的可靠性都有意義。