摘 要:对SCM435钢制备的10.9级螺栓进行不同的加载,使其发生过载、疲劳和氢脆断裂,结 合断裂的宏观和微观形貌,研究螺栓不同断裂类型断口的形成机理。结果表明:各断面均出现在螺 纹部位,且微观特征明显,过载断口均表现为韧窝特征,其中盲孔拧断断口的韧窝为剪切韧窝;疲劳 断口疲劳辉纹鲜明,高、低周疲劳断口的疲劳区面积占整个断面的2/3和1/2;氢脆断口晶粒清晰, 沿晶断裂特征显著。不同类型的断口中,拧紧+拉伸断口缩颈和螺纹伸长最为明显,高、低周疲劳 断口基本没有缩颈和伸长,其余类型的螺纹断口略有伸长。
关键词:高强度螺栓;过载断口;疲劳断口;氢脆断口
中图分类号:U213.5 文献标志码:A 文章编号:1001-4012(2021)12-0055-05
汽车零部件的失效分析一直是汽车质量的重要 研究课题之一,用于汽车上的螺栓在提高强度减小质 量的同时,其安全性和可靠性愈加受到重视。近年 来,汽车用螺栓失效案例时有发生,其中最严重的失 效模式是断裂。螺栓作为连接副的重要受力载体,出 现断裂轻则结构失效,重则造成严重安全事故。
在螺栓断裂模式中,常见有过载、氢脆和疲劳断 裂3种,其中疲劳断裂最为常见[1-2]。螺栓过载断裂 是指螺栓服役载荷超过螺栓能承受的最大载荷而发 生断裂现象,过载的原因多样,螺栓表面受到污染导 致扭矩效率升高及过高服役外力会加大夹紧力等均 可能过载[3-4]。螺栓氢脆断裂,尤其对于高强度电镀 和磷化处理螺栓,氢浸入钢基体后造成材料塑性降 低,使得螺栓性能急剧下降[5]。与螺栓氢脆断裂类 似,螺栓在疲劳断裂前也没有明显的征兆,而且在宏 观和检查过程中很难发现失效的原因。螺栓因螺纹 部分而具有不同于标准圆柱体的特殊结构,其断口 形貌往往与理论模型相差甚远,因此笔者对螺栓不 同类型的断口进行分析,希望能给螺栓的设计者及后期质量工作者的工作提供有意义的参考。
笔者对SCM435钢制备的10.9级高强度螺栓 进行 不 同 断 裂 类 型 的 试 验。试 验 螺 栓 规 格 为 M10mm×78mm(P=1.25)的六角法兰面螺栓, 表面电镀锌。采用金属拉伸试验机、拧紧机和疲劳 试验机对螺栓进行不同类型的断裂试验,并结合宏 观和微观断口形貌表征,研究螺栓不同断裂类型断 口的形成机理。
1 试验方法与试验设备
对于过载断裂,依据不同加载方法分为3类:① 螺栓服役过程受外力加载断裂,模型简化为拧紧后拉 伸断裂;②通孔拧断,常见于螺纹表面受污染导致摩 擦因数降低,目标扭矩下螺栓受到的夹紧力远大于其 承受载荷;③盲孔拧断,常见于盲孔内有异物,导致装 配时螺纹先端受到干涉。3种状态的螺栓因螺纹部 受力不一样可能会导致出现不同的断口形貌。
过载试验设备采用岛津拉力试验机和佐贺铁工 所两方型摩擦试验机进行,拉伸试验方法参考ISO 6892-1:2019《金属材料 拉伸试验 第1部分:室温下 试验方法》。为了模拟现场装配后的拉伸断裂,进行 扭 矩 60 N·m 预 紧 后 拉 伸,拉 伸 速 度 为 20mm·min-1。通孔和盲孔拧断均在拧紧机上进 行,拧紧转速为6r·min-1。疲劳试验在SUM 型疲 劳试验机上进行,评价低周和高周疲劳断裂两类。 疲劳试验的平均应力30kN,应力幅分为5kN 和 10kN。氢脆断裂试验方法参考ISO7539-7:2015 《金属与合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分:慢速率应力试验方法》,将螺栓组装在固定夹具上,采用 拧紧机实施屈服点法拧紧,然后用10%(体积分数) 硫酸浸泡渗氢1h后,进行慢应变拉断,应变速率 为10-3·s-1。
断口宏观观察采用日本 KEYENCE 公司的 VHX-2000C型和 MITUTOYO 公司的 SV-C3200 型形状测量仪,微观观察采用JSM-6010LA 型扫描 电镜,加速电压为15kV。
2 试验结果与分析
2.1 断口宏观形貌分析
断裂后的螺栓螺纹宏观形貌如图1所示,可见 断裂点均在螺纹部位。拧紧+拉伸断裂螺纹和通孔 拧断螺纹均有较明显缩颈现象,螺栓一侧的伸长量 约为1.1mm和0.6mm,拧紧+拉伸断裂断面呈斜 坡状。盲孔拧断螺纹一侧伸长量约为0.15mm,缩 颈现象不明显。高周疲劳断裂与低周疲劳断裂螺纹 基本一致,可以认为基本没有伸长。氢脆断裂螺纹 伸长量约为0.1mm,缩颈不明显。
螺栓在拉伸和拧紧过程中,螺纹部位的受力有 一定的差异,拉伸试验时螺纹部位受到两端的拉伸 载荷σ1,在塑性变形阶段,横向受压缩力σ2,截面的 剪切合力如图2a)所示,拉伸方向的切向载荷使螺 栓产生较大的形变,缩颈后晶粒或缺陷沿合力τ方 向扩展,所以在宏观上形成斜向断面,并留下剪切唇 的特征。而服役中的螺栓受拉伸载荷、扭转载荷作 用,可能也会受到一定的剪切载荷形成的复合载荷作 用,如图2b)所示。此时,螺纹部位外部边缘的扭转 载荷较内部更大,这导致螺纹外围区域断裂时的轴向 载荷低于螺栓极限载荷,所以表现出断裂时伸长量低 于拉伸断裂试样,同时缺陷由边缘向心部扩展,表现 出稍微平整的断面。尤其对于盲孔螺栓,其螺纹先端 受阻,增加力矩,螺栓轴向载荷却不再增加,即轴向伸 长量也不会增加,增加的力矩全部用于螺纹部横向转 动,此时,如果对象件的强度低于螺栓,对象件将会发 生变形或破坏现象;反之,螺纹部位将会出现如图1e) 的断裂形貌。
低周(寿命52192次)和高周(寿命835130次) 疲劳所受的最大载荷远低于其屈服点载荷,螺纹底部 圆角R 处应力集中,容易产生微裂纹形成疲劳源,在 交变载荷的作用下裂纹不断向内扩展直至瞬断,因此 螺栓基本没有发生塑性变形。而氢脆断裂螺栓,H+ 在螺栓表面局部富集,造成金属韧性降低,在拉力的 作用下发生脆性断裂,断裂时载荷略高于屈服载荷, 因此断口虽然较平整但也有轻微塑性变形。
2.2 断口显微形貌分析
拉断、通孔拧断及盲孔拧断后螺栓断口的微观 形 貌 如 图3所 示 。可 知 拉 伸 断 裂 断 口 呈 现 韧 性断裂特征,螺栓拉升时螺纹根部应力集中明显高于 心部,在螺纹根部附近进行微空洞的成核-长大-聚 合[6],逐渐形成如图3b)裂纹源区所示的韧窝,在扩 展区隐约可见条形纹路,裂纹源区和扩展区约占整 个断口的1/3。随着应力增大,受力面积逐渐减小, 导致微空洞发展为失稳阶段[7],瞬间断裂形成剪切 唇。通孔拧断断口表现出的微观形貌与拉断类似, 但是断口上有较大的空洞形成,这与拧紧速度有关, 在低速拧紧的过程中,微空洞会扩展形成大的空洞, 终断区瞬断形成毛刺状突起,断面整体较为平坦。 盲孔拧断断口平整光滑,韧窝属于有明显的方向性 剪切韧窝,瞬断区在截面内部。
螺栓疲劳及氢脆断裂的断口微观形貌如图4所 示。可知由于材料正常和内部无缺陷,所以疲劳 源均发生在应力较大的螺纹根部,不同的是低周 疲劳的台阶纹更为明显且数量多,而高周疲劳的 台阶纹观察不明显,在根部积累的损伤,经过往复 载荷循环得到扩展,图4a)显示高周疲劳扩展区的 贝壳状纹路明显,而低周疲劳不明显。高周疲劳 的疲劳扩展区域约占断面的2/3,瞬断区为塑性变 形区;低周疲劳的疲劳扩展区域约占断面的1/2, 两种断口的瞬断区均形成毛刺状突起。可以看出 应力幅不仅严重影响疲劳寿命,也对断面的整体 形状有较大的影响。
氢脆断口如图4e)所示,螺栓在屈服点载荷下 进行环境浸氢,氢离子不仅与镀层发生反应,其还原 成的氢也会扩散进入零件基体,根据氢致键合力降 低机制,氢原子侵入钢晶格间隙后导致晶界阻碍功 和解理面的结合力下降[8],使得螺栓在应力作用下, 内部位错更易移动,即宏观表现含氢“局部软化”,塑性下降,沿晶断裂后出现较为平整的宏观形貌。
3 结论
(1)不同类型的断口中,拧紧+拉伸断面的缩 颈和螺纹伸长最为明显,高、低周疲劳断口基本没有 明显的缩颈和伸长,其余类型的断口螺纹略有伸长。
(2)不同类型的断口中,拧紧+拉伸的断口为 斜面,盲孔拧断的断口非常平整,其余断口均为平整 与毛刺状结合的断口特征。
(3)不同类型的断口其各自特征均明显,过载断 口微观上仅存在韧窝,而疲劳断口上微观存在疲劳辉 纹,氢脆断口存在沿晶特征,断口上有少量鸡爪纹。
参考文献:
[1] 张海,周志兵.故障模式影响分析技术进展[J].航空 制造技术,2007(8):64-66.
[2] 王慧,刘海波,朱先华,等.紧固件的典型失效形式 [J].上海金属,2020,42(6):25-31.
[3] 钱海挺,秦歌.两种新型金属自攻钉的紧固性能研究 [J].汽车零部件,2019(12):83-87.
[4] 柯新,阳光武,夏冬,等.螺栓与被连接件间轴向相对 刚度的修正计算[J].工程设计学报,2019,26(1):39- 46.
[5] 孙小炎.螺栓氢脆问题研究[J].航天标准化,2007 (2):1-9.
[6] 钟培道.断裂失效分析[J].理化检验(物理分册), 2005,41(7):375-378.
[7] 焦丽,王国亮,赵阳.42CrMo钢连接螺栓断裂分析 [J].热处理,2020,35(1):38-41.
[8] 孙永伟.高强度螺栓用钢的氢扩散动力学及氢致延迟 断裂控制技术研究[D].哈尔滨:哈尔滨工程大学, 2016.
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