汽車(chē)用(yòng)緊固件相對于普通緊固件具(jù)有(yǒu)更高的安(ān)全性、可(kě)靠性要求高，汽車(chē)主機廠通常會要求其供應商(shāng)提供的緊固件産(chǎn)品零缺陷，因為(wèi)車(chē)輛在高速運行過程中(zhōng)，即使一個不起眼的螺釘斷裂也可(kě)能(néng)造成嚴重的安(ān)全事故。某型号乘用(yòng)車(chē)在試車(chē)時，用(yòng)于固定方向盤的螺釘發生斷裂，廠方要求分(fēn)析斷裂原因。該螺釘為(wèi)一自擠螺釘，螺紋公(gōng)稱直徑3.5mm，材質(zhì)為(wèi)SAE1022 ，表面滲碳後又(yòu)經電(diàn)鍍鋅處理(lǐ)。
1 理(lǐ)化檢驗
1.1斷口分(fēn)析
圖1所示為(wèi)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(ān)裝(zhuāng)，發現時螺釘頭部已掉落丢失，圖中(zhōng)所示為(wèi)還未取出的斷裂殘件，其斷口平齊，隐約可(kě)見發散性條紋收斂于斷面右側邊緣。 
1.3 化學(xué)成分(fēn)分(fēn)析
采用(yòng)電(diàn)感耦合等離子發射光譜法（ICP）對螺釘部分(fēn)殘樣進行化學(xué)成分(fēn)分(fēn)析，結果如表1所示，其化學(xué)成分(fēn)與“SAE J430-2001”标準中(zhōng)1022鋼的要求相比，碳含量偏高，這可(kě)能(néng)是由于螺釘表面滲碳的緣故。
表1 斷裂螺釘化學(xué)成分(fēn)（質(zhì)量分(fēn)數, %）
Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)
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化學(xué)元素 |
C |
Si |
Mn |
P |
S |
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标準規定 |
0.17～0.23 |
≤0.10 |
0.70～1.00 |
≤0.030 |
≤0.035 |
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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(diàn)鍍後已經做過200℃保溫4小(xiǎo)時的驅氫處理(lǐ)，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
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試樣 |
氫含量/ ppm |
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斷裂試樣 |
12.5 |
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完好試樣 |
10.0、9.5、11.3 |
為(wèi)了進一步驗證螺釘是否有(yǒu)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(xiǎo)時候後未發現螺釘斷裂，但仔細觀察後發現，多(duō)處螺紋部位已斷裂或産(chǎn)生裂紋，如圖7(a)所示。将螺紋斷裂面放大後可(kě)見其斷口為(wèi)沿晶斷裂形貌，晶間有(yǒu)二次裂紋，晶面上有(yǒu)大量雞爪形撕裂痕，為(wèi)典型的氫脆斷口形貌，如圖7(b)所示。
2.綜合分(fēn)析
以上分(fēn)析結果表明，螺栓斷口平齊，無明顯塑性變形，斷口邊緣為(wèi)冰糖狀沿晶形貌，晶面上有(yǒu)大量雞爪形撕裂紋；芯部為(wèi)準解理(lǐ)形貌，這些都是氫脆斷裂的典型特征。同時，螺釘中(zhōng)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)。
氫脆斷裂是緊固件産(chǎn)品失效機理(lǐ)中(zhōng)比較常見的一種，是零件在低于材料屈服極限的靜應力作(zuò)用(yòng)下導緻的失效。它是由于氫滲入金屬内部導緻的不可(kě)逆損傷，它無征兆，具(jù)有(yǒu)突發性，因此，氫脆斷裂具(jù)有(yǒu)極大的破壞性。影響氫脆的因素主要有(yǒu)：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(zhōng)，螺釘在整個制作(zuò)過程中(zhōng)經曆了電(diàn)鍍工(gōng)藝，緻使氫滲入螺釘表層，雖然在電(diàn)鍍後經過驅氫處理(lǐ)，但螺釘中(zhōng)的氫含量仍處于較高水平，這可(kě)能(néng)是由于表面鍍層對内部氫的逸出起到了一定的阻礙作(zuò)用(yòng)[2,3]。由于氫在材料内部分(fēn)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(wèi)應力較大部位，在載荷的作(zuò)用(yòng)下，氫與局部應力交互作(zuò)用(yòng)，在此處形成氫的局部高濃度富集（遠(yuǎn)高于所檢測的平均氫濃度）；而且螺釘表層經滲碳淬火後的高碳、高硬度組織具(jù)有(yǒu)較高的氫脆敏感性，緻使氫緻裂紋在滲碳層萌生并向内擴展，最終導緻螺釘斷裂。
3.結論
該螺釘的斷裂性質(zhì)是氫緻延遲斷裂，裂紋起源于滲碳層，驅氫不充分(fēn)和滲碳層過厚是導緻該螺釘氫脆斷裂的根本原因，建議廠家在不影響鍍層質(zhì)量的前提下适當提高驅氫溫度、延長(cháng)保溫時間，滲碳層厚度則宜控制在标準規定的下限。
