某高強(qiáng)度螺栓不同類(lèi)型斷口分析

肖友強(qiáng), 高安科, 陳煒?shù)h

(上海特強(qiáng)汽車(chē)緊固件有限公司, 上海 201419)

汽車(chē)零部件的失效分析一直是汽車(chē)質(zhì)量的重要研究課題之一，用于汽車(chē)上的螺栓在提高強(qiáng)度減小質(zhì)量的同時(shí)，其安全性和可靠性愈加受到重視。近年來(lái)，汽車(chē)用螺栓失效案例時(shí)有發(fā)生，其中最嚴(yán)重的失效模式是斷裂。螺栓作為連接副的重要受力載體，出現(xiàn)斷裂輕則結(jié)構(gòu)失效，重則造成嚴(yán)重安全事故。

在螺栓斷裂模式中，常見(jiàn)有過(guò)載、氫脆和疲勞斷裂3種，其中疲勞斷裂最為常見(jiàn)[1-2]。螺栓過(guò)載斷裂是指螺栓服役載荷超過(guò)螺栓能承受的最大載荷而發(fā)生斷裂現(xiàn)象，過(guò)載的原因多樣，螺栓表面受到污染導(dǎo)致扭矩效率升高及過(guò)高服役外力會(huì)加大夾緊力等均可能過(guò)載[3-4]。螺栓氫脆斷裂，尤其對(duì)于高強(qiáng)度電鍍和磷化處理螺栓，氫浸入鋼基體后造成材料塑性降低，使得螺栓性能急劇下降[5]。與螺栓氫脆斷裂類(lèi)似，螺栓在疲勞斷裂前也沒(méi)有明顯的征兆，而且在宏觀和檢查過(guò)程中很難發(fā)現(xiàn)失效的原因。螺栓因螺紋部分而具有不同于標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的特殊結(jié)構(gòu)，其斷口形貌往往與理論模型相差甚遠(yuǎn)，因此筆者對(duì)螺栓不同類(lèi)型的斷口進(jìn)行分析，希望能給螺栓的設(shè)計(jì)者及后期質(zhì)量工作者的工作提供有意義的參考。

筆者對(duì)SCM435鋼制備的10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓進(jìn)行不同斷裂類(lèi)型的試驗(yàn)。試驗(yàn)螺栓規(guī)格為M10 mm×78 mm(P=1.25)的六角法蘭面螺栓，表面電鍍鋅。采用金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)、擰緊機(jī)和疲勞試驗(yàn)機(jī)對(duì)螺栓進(jìn)行不同類(lèi)型的斷裂試驗(yàn)，并結(jié)合宏觀和微觀斷口形貌表征，研究螺栓不同斷裂類(lèi)型斷口的形成機(jī)理。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

對(duì)于過(guò)載斷裂，依據(jù)不同加載方法分為3類(lèi)：①螺栓服役過(guò)程受外力加載斷裂，模型簡(jiǎn)化為擰緊后拉伸斷裂；②通孔擰斷，常見(jiàn)于螺紋表面受污染導(dǎo)致摩擦因數(shù)降低，目標(biāo)扭矩下螺栓受到的夾緊力遠(yuǎn)大于其承受載荷；③盲孔擰斷，常見(jiàn)于盲孔內(nèi)有異物，導(dǎo)致裝配時(shí)螺紋先端受到干涉。3種狀態(tài)的螺栓因螺紋部受力不一樣可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的斷口形貌。

過(guò)載試驗(yàn)設(shè)備采用島津拉力試驗(yàn)機(jī)和佐賀鐵工所兩方型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行，拉伸試驗(yàn)方法參考ISO 6892-1：2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫下試驗(yàn)方法》。為了模擬現(xiàn)場(chǎng)裝配后的拉伸斷裂，進(jìn)行扭矩60 N·m預(yù)緊后拉伸，拉伸速度為20 mm·min-1。通孔和盲孔擰斷均在擰緊機(jī)上進(jìn)行，擰緊轉(zhuǎn)速為6 r·min-1。疲勞試驗(yàn)在SUM型疲勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行，評(píng)價(jià)低周和高周疲勞斷裂兩類(lèi)。疲勞試驗(yàn)的平均應(yīng)力30 kN,應(yīng)力幅分為5 kN和10 kN。氫脆斷裂試驗(yàn)方法參考ISO 7539-7:2015《金屬與合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢速率應(yīng)力試驗(yàn)方法》,將螺栓組裝在固定夾具上，采用擰緊機(jī)實(shí)施屈服點(diǎn)法擰緊，然后用10%(體積分?jǐn)?shù))硫酸浸泡滲氫1 h后，進(jìn)行慢應(yīng)變拉斷，應(yīng)變速率為10-3·s-1。

表1 不同斷裂試驗(yàn)的試驗(yàn)方法Tab.1 Test methods for different fracture tests

斷口宏觀觀察采用日本KEYENCE公司的VHX-2000C型和MITUTOYO公司的SV-C3200型形狀測(cè)量?jī)x，微觀觀察采用JSM-6010LA型掃描電鏡，加速電壓為15 kV。

2 試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

斷裂后的螺栓螺紋宏觀形貌如圖1所示，可見(jiàn)斷裂點(diǎn)均在螺紋部位。擰緊+拉伸斷裂螺紋和通孔擰斷螺紋均有較明顯縮頸現(xiàn)象，螺栓一側(cè)的伸長(zhǎng)量約為1.1 mm和0.6 mm，擰緊+拉伸斷裂斷面呈斜坡?tīng)?。盲孔擰斷螺紋一側(cè)伸長(zhǎng)量約為0.15 mm，縮頸現(xiàn)象不明顯。高周疲勞斷裂與低周疲勞斷裂螺紋基本一致,可以認(rèn)為基本沒(méi)有伸長(zhǎng)。氫脆斷裂螺紋伸長(zhǎng)量約為0.1 mm，縮頸不明顯。

螺栓在拉伸和擰緊過(guò)程中，螺紋部位的受力有一定的差異，拉伸試驗(yàn)時(shí)螺紋部位受到兩端的拉伸載荷σ1，在塑性變形階段，橫向受壓縮力σ2，截面的剪切合力如圖2a)所示，拉伸方向的切向載荷使螺栓產(chǎn)生較大的形變，縮頸后晶粒或缺陷沿合力τ方向擴(kuò)展，所以在宏觀上形成斜向斷面，并留下剪切唇的特征。而服役中的螺栓受拉伸載荷、扭轉(zhuǎn)載荷作用，可能也會(huì)受到一定的剪切載荷形成的復(fù)合載荷作用，如圖2b)所示。此時(shí)，螺紋部位外部邊緣的扭轉(zhuǎn)載荷較內(nèi)部更大，這導(dǎo)致螺紋外圍區(qū)域斷裂時(shí)的軸向載荷低于螺栓極限載荷，所以表現(xiàn)出斷裂時(shí)伸長(zhǎng)量低于拉伸斷裂試樣，同時(shí)缺陷由邊緣向心部擴(kuò)展，表現(xiàn)出稍微平整的斷面。尤其對(duì)于盲孔螺栓,其螺紋先端受阻，增加力矩，螺栓軸向載荷卻不再增加，即軸向伸長(zhǎng)量也不會(huì)增加，增加的力矩全部用于螺紋部橫向轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)，如果對(duì)象件的強(qiáng)度低于螺栓，對(duì)象件將會(huì)發(fā)生變形或破壞現(xiàn)象；反之，螺紋部位將會(huì)出現(xiàn)如圖1e)的斷裂形貌。

低周(壽命52 192次)和高周(壽命835 130次)疲勞所受的最大載荷遠(yuǎn)低于其屈服點(diǎn)載荷，螺紋底部圓角R處應(yīng)力集中，容易產(chǎn)生微裂紋形成疲勞源，在交變載荷的作用下裂紋不斷向內(nèi)擴(kuò)展直至瞬斷，因此螺栓基本沒(méi)有發(fā)生塑性變形。而氫脆斷裂螺栓，H+在螺栓表面局部富集，造成金屬韌性降低，在拉力的作用下發(fā)生脆性斷裂，斷裂時(shí)載荷略高于屈服載荷，因此斷口雖然較平整但也有輕微塑性變形。

2.2 斷口顯微形貌分析

拉斷、通孔擰斷及盲孔擰斷后螺栓斷口的微觀形貌如圖3所示?？芍鞌嗔褦嗫诔尸F(xiàn)韌性斷裂特征，螺栓拉升時(shí)螺紋根部應(yīng)力集中明顯高于心部，在螺紋根部附近進(jìn)行微空洞的成核-長(zhǎng)大-聚合[6]，逐漸形成如圖3b)裂紋源區(qū)所示的韌窩，在擴(kuò)展區(qū)隱約可見(jiàn)條形紋路，裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)約占整個(gè)斷口的1/3。隨著應(yīng)力增大，受力面積逐漸減小，導(dǎo)致微空洞發(fā)展為失穩(wěn)階段[7]，瞬間斷裂形成剪切唇。通孔擰斷斷口表現(xiàn)出的微觀形貌與拉斷類(lèi)似，但是斷口上有較大的空洞形成，這與擰緊速度有關(guān)，在低速擰緊的過(guò)程中，微空洞會(huì)擴(kuò)展形成大的空洞，終斷區(qū)瞬斷形成毛刺狀突起，斷面整體較為平坦。盲孔擰斷斷口平整光滑，韌窩屬于有明顯的方向性剪切韌窩，瞬斷區(qū)在截面內(nèi)部。

螺栓疲勞及氫脆斷裂的斷口微觀形貌如圖4所示?？芍捎诓牧险：蛢?nèi)部無(wú)缺陷，所以疲勞源均發(fā)生在應(yīng)力較大的螺紋根部，不同的是低周疲勞的臺(tái)階紋更為明顯且數(shù)量多，而高周疲勞的臺(tái)階紋觀察不明顯，在根部積累的損傷，經(jīng)過(guò)往復(fù)載荷循環(huán)得到擴(kuò)展，圖4a)顯示高周疲勞擴(kuò)展區(qū)的貝殼狀紋路明顯，而低周疲勞不明顯。高周疲勞的疲勞擴(kuò)展區(qū)域約占斷面的2/3，瞬斷區(qū)為塑性變形區(qū)；低周疲勞的疲勞擴(kuò)展區(qū)域約占斷面的1/2，兩種斷口的瞬斷區(qū)均形成毛刺狀突起。可以看出應(yīng)力幅不僅嚴(yán)重影響疲勞壽命，也對(duì)斷面的整體形狀有較大的影響。

氫脆斷口如圖4e)所示，螺栓在屈服點(diǎn)載荷下進(jìn)行環(huán)境浸氫，氫離子不僅與鍍層發(fā)生反應(yīng)，其還原成的氫也會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入零件基體，根據(jù)氫致鍵合力降低機(jī)制，氫原子侵入鋼晶格間隙后導(dǎo)致晶界阻礙功和解理面的結(jié)合力下降[8]，使得螺栓在應(yīng)力作用下，內(nèi)部位錯(cuò)更易移動(dòng)，即宏觀表現(xiàn)含氫“局部軟化”，塑性下降，沿晶斷裂后出現(xiàn)較為平整的宏觀形貌。

3 結(jié)論

(1) 不同類(lèi)型的斷口中，擰緊+拉伸斷面的縮頸和螺紋伸長(zhǎng)最為明顯，高、低周疲勞斷口基本沒(méi)有明顯的縮頸和伸長(zhǎng)，其余類(lèi)型的斷口螺紋略有伸長(zhǎng)。

(2) 不同類(lèi)型的斷口中，擰緊+拉伸的斷口為斜面，盲孔擰斷的斷口非常平整，其余斷口均為平整與毛刺狀結(jié)合的斷口特征。

(3) 不同類(lèi)型的斷口其各自特征均明顯，過(guò)載斷口微觀上僅存在韌窩，而疲勞斷口上微觀存在疲勞輝紋，氫脆斷口存在沿晶特征，斷口上有少量雞爪紋。