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(工業(yè)和信息化部電子第五研究所 可靠性研究分析中心, 廣州 510610)

SWRCH22A鋼自攻螺釘斷裂原因分析

左新浪,談藝干,劉子蓮,蔡穎穎

(工業(yè)和信息化部電子第五研究所 可靠性研究分析中心, 廣州 510610)

SWRCH22A鋼自攻螺釘在裝配一天后發(fā)生斷裂，通過(guò)宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)、斷口分析及氫含量測(cè)試等方法，對(duì)其斷裂原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)為氫致延遲脆性斷裂；螺釘經(jīng)過(guò)熱處理后的顯微組織為回火馬氏體和少量殘余奧氏體，而馬氏體為氫脆敏感組織，且螺釘經(jīng)過(guò)電鍍處理，使得其內(nèi)部氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)高達(dá)0.000 49%，最終導(dǎo)致螺釘于應(yīng)于集中的螺紋起始位置根部發(fā)生氫致延遲脆性斷裂。

SWRCH22A鋼； 螺釘； 氫致延遲脆性斷裂； 回火馬氏體; 氫含量

自攻螺釘由于其表面具有較高的硬度，因此可以在被連接件的螺紋底孔攻出內(nèi)螺紋，從而形成連接。這種螺釘?shù)奶攸c(diǎn)是具有低擰入力矩和高鎖緊性能，比普通螺釘具有更好的工作性能，并可代替機(jī)器螺釘使用。盡管自攻螺釘已有成熟的生產(chǎn)流程及工藝技術(shù)要求，但由于其生產(chǎn)流程較復(fù)雜，仍存在由于生產(chǎn)工藝控制不當(dāng)導(dǎo)致不合格品出現(xiàn)的現(xiàn)象。

某批材料為SWRCH22A鋼的自攻螺釘，加工流程為：打頭→搓牙→熱處理(滲碳、淬火、回火)→電鍍→除氫→弱酸出光。在裝配一天后少量螺釘發(fā)生斷裂，為了找出斷裂失效的原因，避免斷裂現(xiàn)象的再發(fā)生，筆者對(duì)失效螺釘進(jìn)行了綜合理化檢驗(yàn)分析。

1 理化檢驗(yàn)

1.1宏觀觀察

對(duì)斷裂失效螺釘進(jìn)行宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，螺釘?shù)臄嗔盐恢脼榭拷^部墊片下方螺桿的螺紋起始位置，斷口較為平整，呈現(xiàn)弱金屬光澤的亮點(diǎn)，在螺釘邊緣處有明顯的撕裂棱，如圖1所示。

圖1 螺釘斷口宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of fracture surface of the screw

1.2化學(xué)成分分析

按照J(rèn)IS G1258-2007的要求，采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀(ICP-OES)對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行了化學(xué)成分分析，由于螺釘表面經(jīng)滲碳處理，將表面滲碳層去除后進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示。結(jié)果顯示，斷裂螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分符合JIS G3507-2005對(duì)該產(chǎn)品的規(guī)定。

表1 螺釘化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositionsof the screw (mass fraction) %

1.3金相檢驗(yàn)

由于螺釘經(jīng)過(guò)淬火及回火處理，為了確認(rèn)是否由熱處理工藝不當(dāng)導(dǎo)致螺釘斷裂，取失效螺釘螺桿部分制成金相試樣，經(jīng)磨拋、4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后，在LV150型尼康金相顯微鏡下進(jìn)行觀察。觀察結(jié)果表明，螺釘?shù)娘@微組織主要是由回火馬氏體和少量的殘余奧氏體組成，如圖2所示。

圖2 螺釘顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the screw

1.4斷口掃描電鏡分析

圖3 螺釘斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface of the screw:a) crack source zone; b) extension zone; c) instant rupture zone

將斷裂螺釘在掃描電子顯微鏡下進(jìn)行斷口形貌觀察，結(jié)果如圖3所示?？梢?jiàn)在螺釘?shù)牧鸭y源區(qū)域，斷面的微觀形貌呈現(xiàn)出沿金屬晶粒界面分離的冰糖狀沿晶斷裂形態(tài)，沿晶斷口上存在二次裂紋，屬于典型的脆性斷裂。裂紋擴(kuò)展區(qū)域的斷口形貌仍然以冰糖狀沿晶斷裂為主，且沿晶小刻面上存在細(xì)小、發(fā)育不完整的韌窩，即“雞爪痕”。當(dāng)裂紋擴(kuò)展到瞬斷區(qū)時(shí)，斷口上沿晶和撕裂棱上的韌窩共存。

1.5氫含量測(cè)試

根據(jù)GB/T 14265-1993《金屬材料中氫、氧、氮、碳和硫分析方法通則》的要求，采用氧氮?dú)浞治鰞x對(duì)斷裂螺釘進(jìn)行氫含量測(cè)試，結(jié)果顯示螺釘中氫的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 49%。

2 分析與討論

化學(xué)成分分析結(jié)果顯示，斷裂螺釘?shù)幕瘜W(xué)成分符合產(chǎn)品要求。金相檢驗(yàn)結(jié)果顯示，螺釘顯微組織主要是由回火馬氏體和少量殘余奧氏體組成，說(shuō)明螺釘熱處理工藝正常。螺釘斷口的微觀分析發(fā)現(xiàn)，在沿晶小刻面上有“雞爪痕”，且沿晶和撕裂棱上的韌窩共存，按照氫脆斷裂失效的判據(jù)[1]，螺栓斷裂屬于氫脆斷裂。螺釘?shù)娘@微組織為回火馬氏體，且在各種不同的顯微組織中，對(duì)氫脆敏感性從高到低為馬氏體、上貝氏體(粗大貝氏體)、下貝氏體(細(xì)貝氏體)、索氏體、珠光體、奧氏體[2-3]，因此該螺釘?shù)娘@微組織為氫脆敏感組織。通常情況下，螺釘由于在使用過(guò)程中防銹及外觀等原因而進(jìn)行表面電鍍處理，在處理過(guò)程中會(huì)受到酸性介質(zhì)中氫元素的影響。氫含量測(cè)試結(jié)果表明，螺釘中氫含量較高，質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 49%。而對(duì)于普通高強(qiáng)度鋼，當(dāng)氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)達(dá)到0.000 1%時(shí)，材料即可能發(fā)生氫致延遲斷裂。由于螺釘屬于應(yīng)力集中嚴(yán)重的多缺口零件，螺釘裝配后會(huì)受到預(yù)緊的拉伸應(yīng)力作用，氫原子擴(kuò)散至應(yīng)力集中處，與位錯(cuò)交互作用，使位錯(cuò)線被釘扎，不能自由活動(dòng)，使材料變脆，從而在螺桿螺紋起始位置萌生裂紋并發(fā)生脆性斷裂[1,4-6]。

3 結(jié)論及建議

(1) 該螺釘斷裂的原因?yàn)椋婂兒蟪龤洳粡氐?，?dǎo)致內(nèi)部氫聚集，引發(fā)氫致延遲斷裂。

(2) 建議在電鍍后，及時(shí)對(duì)螺釘進(jìn)行除氫處理，推薦在190～210 ℃下除氫2～24 h。

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AnalysisonFractureReasonsofSWRCH22ASteelSelf-TappingScrews

ZUOXinlang,TANYigan,LIUZilian,CAIYingying

(Reliability Research and Analysis Center, The Fifth Research Institute of MIIT, Guangzhou 510610, China)

Fracture occurred to self-tapping screws of SWRCH22A steel after assembly for one day. The fracture reasons were analyzed through macrographic examination, chemical composition analysis, metallographic inspection, fracture analysis and hydrogen content testing. The results indicate that: the fracture mechanism of screws was delayed brittle fracture induced by hydrogen; the microstructure of screws after heat treatment was mainly tempered martensite and a small amount of residual austenite, and the martensite structure was sensitive to hydrogen brittle; the screws were treated by electroplating, which made the hydrogen content of screws as high as 0.000 49%, and finally caused the delayed brittle fracture of screws induced by hydrogen on the root of thread initiation position where the stress concentrated.

SWRCH22A steel; screw; delayed brittle fracture induced by hydrogen; tempered martensite; hydrogen content

10.11973/lhjy-wl201709017

2016-12-09

左新浪(1985-)，男，工程師，碩士，主要從事材料檢測(cè)分析，sinazuo@163.com

TG115.2

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：1001-4012(2017)09-0687-03