汽車用緊固件相對于普通緊固件具有更高的安全性、可靠性要求高，汽車主機廠通常會要求其供應商提供的緊固件產品零缺陷，因為車輛在高速運行過程中，即使一個不起眼的螺釘斷裂也可能造成嚴重的安全事故。某型號乘用車在試車時，用于固定方向盤的螺釘發(fā)生斷裂，廠方要求分析斷裂原因。該螺釘為一自擠螺釘，螺紋公稱直徑3.5mm，材質為SAE1022 ，表面滲碳后又經電鍍鋅處理。
1 理化檢驗
1.1斷口分析
圖1所示為斷裂螺釘斷面宏觀形貌，該螺釘在一鎂合金被連接部件上自攻螺紋安裝，發(fā)現時螺釘頭部已掉落丟失，圖中所示為還未取出的斷裂殘件，其斷口平齊，隱約可見發(fā)散性條紋收斂于斷面右側邊緣。 
1.3 化學成分分析
采用電感耦合等離子發(fā)射光譜法（ICP）對螺釘部分殘樣進行化學成分分析，結果如表1所示，其化學成分與“SAE J430-2001”標準中1022鋼的要求相比，碳含量偏高，這可能是由于螺釘表面滲碳的緣故。
表1 斷裂螺釘化學成分（質量分數, %）
Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)
|
化學元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
|
標準規(guī)定 |
0.17～0.23 |
≤0.10 |
0.70～1.00 |
≤0.030 |
≤0.035 |
|
檢測值 |
0.28 |
0.06 |
0.80 |
0.016 |
0.010 |
1.2 氫含量測定
取斷裂試樣殘件和完好試樣進行氫含量測定，據生廠家介紹，該批螺釘在電鍍后已經做過200℃保溫4小時的驅氫處理，但檢測結果顯示，該批螺釘氫含量仍處于較高水平。
表2 螺釘氫含量
Tab.2 Hydrogen content of the screws
|
試樣 |
氫含量/ ppm |
|
斷裂試樣 |
12.5 |
|
完好試樣 |
10.0、9.5、11.3 |
為了進一步驗證螺釘是否有氫脆傾向，根據GB/T 3098.17-2000進行檢查氫脆預載荷試驗，在保載48小時候后未發(fā)現螺釘斷裂，但仔細觀察后發(fā)現，多處螺紋部位已斷裂或產生裂紋，如圖7(a)所示。將螺紋斷裂面放大后可見其斷口為沿晶斷裂形貌，晶間有二次裂紋，晶面上有大量雞爪形撕裂痕，為典型的氫脆斷口形貌，如圖7(b)所示。
2.綜合分析
以上分析結果表明，螺栓斷口平齊，無明顯塑性變形，斷口邊緣為冰糖狀沿晶形貌，晶面上有大量雞爪形撕裂紋；芯部為準解理形貌，這些都是氫脆斷裂的典型特征。同時，螺釘中也檢測到了較高濃度的氫，檢查氫脆預載荷試驗結果也表明螺釘滲碳層是氫脆敏感區(qū)。
氫脆斷裂是緊固件產品失效機理中比較常見的一種，是零件在低于材料屈服極限的靜應力作用下導致的失效。它是由于氫滲入金屬內部導致的不可逆損傷，它無征兆，具有突發(fā)性，因此，氫脆斷裂具有極大的破壞性。影響氫脆的因素主要有：鋼的含碳量、顯微組織、鋼的強度、硬度及所受應力等。鋼的含碳量越高，強度越大，硬度越高，所受應力越大則氫脆敏感性就越高 [1]。在本案例中，螺釘在整個制作過程中經歷了電鍍工藝，致使氫滲入螺釘表層，雖然在電鍍后經過驅氫處理，但螺釘中的氫含量仍處于較高水平，這可能是由于表面鍍層對內部氫的逸出起到了一定的阻礙作用[2,3]。由于氫在材料內部分布并不均勻，會在材料的微觀缺陷及應力較大處富集，頭下第一牙處，為應力較大部位，在載荷的作用下，氫與局部應力交互作用，在此處形成氫的局部高濃度富集（遠高于所檢測的平均氫濃度）；而且螺釘表層經滲碳淬火后的高碳、高硬度組織具有較高的氫脆敏感性，致使氫致裂紋在滲碳層萌生并向內擴展，最終導致螺釘斷裂。
3.結論
該螺釘的斷裂性質是氫致延遲斷裂，裂紋起源于滲碳層，驅氫不充分和滲碳層過厚是導致該螺釘氫脆斷裂的根本原因，建議廠家在不影響鍍層質量的前提下適當提高驅氫溫度、延長保溫時間，滲碳層厚度則宜控制在標準規(guī)定的下限。
