张先鸣：紧固螺钉断裂原因分析

　　摘要

　　用于家用电器零件的紧固螺钉在安装一天后发生断裂。通过宏观和微观检验、硬度检测、金相检验和化学成分等方法对断裂原因进行分析。

　　结果表明：失效螺钉的断裂性质为氢致延迟断裂，螺钉的断裂主要与渗碳层较厚和相对较高的表面硬度有关。

　　某公司生产的M3×8.5非标螺钉，用于家用电器零件的紧固，螺钉示意见图1，安装部位见图2。在安装放置一天以后，有多根螺钉发生横向断裂，断裂螺栓宏观形貌见图3。该螺钉采用1018钢制造，螺钉生产流程如下：拉丝→粗车→冲内花型孔→精车→搓牙→热处理→表面处理（镀锌）→驱氢处理，技术要求，渗碳淬火硬度450～550HV 0.3，心部硬度270～390HV 10。

　　为查明该批螺钉断裂的原因，对其进行了检验和分析。　　1、理化检验

　　1.1 宏观分析

　　断裂发生在螺钉根部，断口为横向平断口，没有明显塑性变形，属宏观脆性断裂，见图3。

　　1.2 金相检验

　　将断裂螺钉沿轴向剖开制成金相试样，在DM3000型光学显微镜下观察分析，可见裂纹源区及附近螺纹根部有微裂纹，且微裂纹走向沿轴向形态分布，裂纹呈锯齿状向内延伸，裂纹内未见异常（见图4）。

　　螺钉钢中非金属夹杂物按G B/ T10 561-2005标准评级图进行评级。经4%HNO3酒精溶液浸蚀后，用光学显微镜观察分析断裂螺钉钢的非金属夹杂物和金相组织。

　　（1）断裂的螺栓钢中D类环状氧化物夹杂物较为细小，其级别约为细A类 0.5级，B类1级，C类0.5级，D类0.5 级（图6），表明螺钉钢的冶金质量较好。

　　（2）断裂螺钉表层显微组织为回火高碳马氏体，见图7，心部及断口处显微组织均为回火低碳马氏体和贝氏体，见图8。
　　1.3 显微硬度测试

　　对断裂螺钉进行显微硬度测试，结果表面为512、506、501、513HV0.3，心部为309、303、312、313HV10。

　　1.4 断口分析

　　选取典型的螺钉断口，采用JSM-7001F型高分辨扫描电镜对断口微观形貌进行观察和分析。螺钉断裂起始于螺钉根部，裂纹源区断口特征为沿晶和二次裂纹，见图9和图10；裂纹扩展区和瞬断区断口特征为沿晶、二次裂纹和准解理，沿晶面上有鸡爪状花样，见图11。
　　1.5 化学成分分析

　　断裂螺钉用 Labspark750A直读火花光谱仪分析结果见表1，可见各元素含量均符合ASTM A29/A29M-2011a标准对1018低碳钢成分的技术要求。

　　2、综合分析

　　2.1 裂纹组织特征

　　断裂螺钉钢化学成分符合美国1018低碳钢技术要求。断裂螺钉根部存在横向微裂纹，并且裂纹呈锯齿状向内部延伸，裂纹内未见异常，具有氢脆延迟断裂特征。断裂螺钉表层显微组织为回火高碳马氏体，心部显微组织为回火低碳马氏体和贝氏体；通常优质碳素钢，淬火后心部组织应该为珠光体和铁素体，不应该得到马氏体组织，说明螺钉心部含碳量较高，增加了螺钉的淬透性，使其淬火后得到马氏体组织。

　　2.2 断口特征

　　螺钉断裂起始于螺钉根部，裂纹源区断口特征为沿晶和二次裂纹，裂纹扩展区和瞬断区断口特征为沿晶、二次裂纹和准解理，沿晶面上有鸡爪状花样，具有氢脆断口的鸡爪花样特征，进一步表明螺钉断裂属于氢脆延迟断裂。

　　2.3 热处理指标的分析

　　该批螺钉经渗碳淬火处理，显微硬度测试，结果表面硬度和心部硬度均在技术要求范围内，但用金相法检测渗层较深，达到0.17～0.20mm，超出该螺钉技术要求约2倍，强度增加，脆性增大。

　　2.4 受力分析

　　从螺钉安装一天以后发生断裂，可知该断裂螺钉在承受外力的条件下，由于断裂螺钉渗碳后，整体强度增高，螺钉表面经电镀锌，氢的渗入基体，氢脆的表观特征一般是表现为低应力延迟破坏。

　　3、讨论

　　①螺钉材料的强度越高，氢脆敏感性越大。这是因为，金属晶体结构中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多，在酸洗、电镀过程中螺钉吸氢的能力强，基体内应力较大；同时，延迟断裂的临界应力极限氢脆随着材料强度的升高而急剧下降。钢制螺钉因强度过高导致氢脆断裂失效，有时与设计过分强调硬度指标有关。原设计硬度为4 5 0～550HV0.3，渗碳淬火回火的温度区间为380～400℃，该温度为回火温度脆性区域，将硬度改为350～450HV0.3，结果回火温度在430～440℃或450℃，使得螺钉的氢脆敏感性降低，有效地预防了氢脆断裂的发生。

　　②钢制螺钉发生氢脆失效通常也与不合适的热处理有关。由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切关系。因而，在一定强度水平下，钢的氢脆断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系。在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体（粗大贝氏体）、下贝氏体（细贝氏体）、索氏体、珠光体、奥氏体。

　　淬火回火钢在300～400℃的温度范围回火时，其氢脆敏感性急剧恶化，这是由于低温回火脆性与氢脆现象叠加的结果。研究结果表明，回火脆化对氢致脆性断裂起着明显的促进作用，回火脆化程度较小，回火脆化和氢脆为线性相加；回火脆化程度较大，回火脆化将大大加剧氢脆程度。分析认为：失效螺钉在较低的氢含量下发生氢脆断裂，其主要原因是由于螺钉存在中等程度的回火脆化。

　　③钢制螺钉经电镀处理后一般需进行驱氢处理，电镀后原则上应尽快驱氢，因为镀层中的氢和表面基体金属中的氢向钢基体内部扩散，其数量随时间延长而增加。一般认为：最好在镀后1h内，但不迟于3h，进行驱氢处理。驱氢工艺是否合理是关系到螺钉是否发生氢脆的一个关键性因素。目前国际上对于钢制紧固件驱氢工艺有一个通用标准，190～230℃加热保温24h，空冷。国内的钢制螺钉在进行驱氢处理时，大多选用180～210℃的加热温度，保温时间基本在2～4h左右。

　　虽然该工艺可以降低螺钉中的氢含量，但并不适用所有的钢种，难以保证产品的可靠性使用，故驱氢工艺应该按钢种、强度及工作应力分别加以规定。

　　需要特别强调的是，对于重复加工件，在酸洗去除镀层后一定要先进行驱氢处理，然后电镀，再驱氢。之所以要在酸洗去除镀层后增加一道驱氢工序，是因为与酸洗除锈和氧化皮不同，酸洗去除镀层需要较长时间，螺钉会大量吸氢，这时若直接电镀，后续的驱氢处理则很难将氢去除干净，这也解释了螺钉为什么只有少数断裂的现象。

　　4、结论

　　该批螺钉断裂是因为渗碳层过厚，淬火、回火后得到回火低碳马氏体和贝氏体，脆性增大，镀锌后驱氢效果不好，上述因素综合作用导致部分螺钉在使用过程中发生氢脆延迟断裂。◆

　　参考文献
　　[1]钟群鹏，赵子华.断口学［M］. 北京：高等教育出版社，2006.
　　[2]傅国如，张峥.失效分析技术［J］. 理化检测：物理分册,2005（4）：212-216.
　　[3]夏立芳.金属热处理工艺学［M］.哈尔滨: 哈尔滨工业大学出版社,2008
　　[4]任松赞，张静江.钢铁金相图谱［M］.上海：上海科学技术文献出版社，2003.
　　[5] 储武扬，乔利杰，陈奇志.断裂与环境断裂［M］.北京：科学出版社，2000.
　　[6]张先鸣. 高强度螺栓断裂分析[J].紧固件，2014.（2）总39期：45-47，58.

　　作者：金蜘蛛紧固件网顾问专家 张先鸣
　　本文原刊登于第38期金蜘蛛《紧固件》季刊