某汽車壓鉚螺釘, 強度級別為9.8級,規(guī)格為M6×1.0-6g,材質(zhì)為10B21,調(diào)質(zhì)處理,硬度要求為27-36HRC,表面電鍍鋅。安裝完畢后一段時間發(fā)生斷裂。
螺釘位于光桿與螺紋相連的臺階處斷裂,見圖12-66。
(1)宏觀檢查
對斷裂螺釘宏觀檢查,斷裂螺釘?shù)臄嗫谄烬R,無明顯宏觀塑性變形,斷口斷面較粗糙,斷口無明顯腐蝕產(chǎn)物及冶金缺陷,見圖12-67。
圖12-66 斷裂件外觀形貌 圖12-67 斷裂件斷口形貌
(2) 斷口掃描電鏡檢查
螺釘斷面的掃描電鏡低倍形貌檢查,為了便于分析,將斷面分為A、B、C、D、E五個區(qū)域進(jìn)行描述,見圖12-68。
圖12-68 斷面掃描電鏡低倍形貌
螺釘斷面的掃描電鏡微觀形貌檢查,A區(qū)、B區(qū)微觀形貌,可見明顯的“冰糖狀”晶粒,晶面上存在“雞爪痕”形貌,并伴有晶間二次裂紋,見圖12-69、圖12-70、圖12-71所示。
C區(qū)微觀形貌,可見明顯的“冰糖狀”晶粒,晶面上存在“雞爪痕”形貌,并伴有晶間二次裂紋,見圖12-72所示。
D區(qū)微觀形貌,可見明顯的準(zhǔn)解理形貌,見圖12-73所示。
E區(qū)微觀形貌,可見明顯的“冰糖狀”晶粒,晶面上存在“雞爪痕”形貌,并伴有晶間二次裂紋,見圖12-74所示。
(3)硬度檢測
對斷裂螺釘進(jìn)行表表面和心部硬度試驗檢測,檢測結(jié)果(HV10):心部硬度為413~418;表面硬度與心部硬度基本相同為415~421 。
《SAE J1199 -2001》標(biāo)準(zhǔn)的硬度要求為279~354 HV10,檢測結(jié)果,表面、心部硬度均不滿足對于9.8級螺釘?shù)囊?,高出?biāo)準(zhǔn)要求136~67 HV10。
圖12-69 斷面A區(qū)微觀形貌 圖12-70 斷面B區(qū)微觀形貌
圖12-71 斷面B區(qū)微觀形貌 圖12-72 斷面C區(qū)微觀形貌
圖12-73 斷面D區(qū)微觀形貌 圖12-74 斷面E區(qū)微觀形貌
(4)螺栓材質(zhì)化學(xué)分析
采用直讀光譜法對螺釘進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析結(jié)果,根據(jù)《SAE J403-2001》標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,材質(zhì)符合10B21鋼的要求。
(5)氫含量檢測
對斷裂螺釘進(jìn)行氫含量檢測,檢測結(jié)果,氫含量 8.9ppm
斷裂螺釘材質(zhì)符合10B21鋼要求,斷裂與材質(zhì)無關(guān)。
螺釘心部硬度明顯高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定,根據(jù)硬度-強度換算,斷裂螺釘?shù)膹姸纫呀?jīng)超出9.8級的性能要求,說明螺釘熱處理工藝不正常;表面硬度和心部硬度比標(biāo)準(zhǔn)要求高出很多。分析認(rèn)為,螺釘熱處理回火溫度過低,造成螺釘硬度偏高。
螺釘經(jīng)過電鍍鋅后除氫不好,使螺釘?shù)臍浜看罅看嬖凇?/span>
斷口電鏡掃描可見大面積的“冰糖狀”晶粒,晶面上存在“雞爪痕”特征,并伴有晶間二次裂紋,是典型的氫脆斷口形貌。
一般緊固件的硬度在320HV(相當(dāng)于10.9級螺栓硬度)以上時,電鍍后應(yīng)及時驅(qū)氫,當(dāng)硬度達(dá)到390 HV(相當(dāng)于12.9級螺栓硬度)以上時應(yīng)盡量杜絕采用酸洗、電鍍等表面處理方式。該批螺釘因熱處理工藝不當(dāng),其強度已超過12.9級,經(jīng)電鍍處理后大量滲人的氫沒有除去,就存在了氫脆隱患。
對于高強度緊固件來說,強度越大,其氫脆敏感性就越高。
該批螺釘由于熱處理不當(dāng)造成硬度和強度過高,又因為經(jīng)電鍍處理滲氫后不能完全驅(qū)氫,遺留氫脆隱患,在安裝應(yīng)力的作用下誘發(fā)氫脆延遲斷裂。
根據(jù)以上分析,可以得出如下結(jié)論與啟示:
(1)螺釘?shù)臄嗔研再|(zhì)是氫脆斷裂
(2)引起螺釘氫脆的根本原因是熱處理回火工藝不當(dāng)造成硬度過高,電鍍滲氫不能完全去除,在安裝應(yīng)力的作用下誘發(fā)氫致延遲斷裂。
(3) 對于高強度緊固件的再回火試驗,GB3098.1—2010規(guī)定為回火溫度為420℃,說明了高強度緊固件的回火工藝很重要,回火溫度低于420℃,就不能得到所需要的金相組織,硬度過高,存在回火脆性的危險。
(4) 高強度緊固件熱處理時,嚴(yán)格執(zhí)行產(chǎn)品工藝,熱處理后得到所需的組織和硬度。
(5) 高強度緊固件電鍍處理后,及時除氫,并按除氫工藝進(jìn)行除氫。