鎖緊螺母斷裂失效實(shí)證分析

李文魁，韓洪元

（1.新鄉(xiāng)平原航空器材有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000；2.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453000）

?

鎖緊螺母斷裂失效實(shí)證分析

李文魁1，韓洪元2

（1.新鄉(xiāng)平原航空器材有限公司，河南 新鄉(xiāng)453000；2.新鄉(xiāng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南 新鄉(xiāng)453000）

摘要：鎖緊螺母在裝配時出現(xiàn)斷裂，安裝扭矩為80～90N·m.對斷裂件進(jìn)行宏觀和微觀檢驗(yàn)、斷口分析、硬度檢測、化學(xué)成分檢測、氫含量檢測、金相檢驗(yàn)等方面的分析，結(jié)果表明：送樣產(chǎn)品由于氫原子的存在而產(chǎn)生原始裂紋，在裝配過程中，原始裂紋會隨著預(yù)緊力的加大而擴(kuò)展，進(jìn)而突然斷裂?？刹捎脡A性去油和去銹、超聲波去油和噴砂去銹而避免氫脆。

關(guān)鍵詞：鎖緊螺母；氫脆；失效分析

某系統(tǒng)中用于固定熱交換器的鎖緊螺母的制造工藝流程穩(wěn)定可靠已運(yùn)行了多年，近期出現(xiàn)了鎖緊螺母在試用過程中斷裂的情況，由于交付數(shù)量較大，需要對此情況進(jìn)行調(diào)查分析，找到原因并提出改進(jìn)工藝。

本文結(jié)合多年的設(shè)計和工藝工作實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，及金屬材料斷裂和熱處理相關(guān)專業(yè)知識對鎖緊螺母在試用過程中斷裂問題進(jìn)行了綜合的和較全面的分析，找到了原因，并提出了改進(jìn)措施。

1　問題描述

鎖緊螺母材質(zhì)為SCM435，安裝扭矩為80～90 N·m，斷裂比率約為0.16‰，性能等級為12.9級，制造工藝為：材料改制——冷鐓——車頭部、倒角、打中心孔——鉆螺紋底孔——去毛刺——攻螺紋——去磷、熱處理——磨螺紋坯徑——滾螺紋——（酸洗）氧化處理——探傷、退磁——（酸洗）氧化處理——涂膠、檢驗(yàn)、包裝入庫。試樣為1#斷裂件、2#模擬斷裂件和完好件，如圖1和圖2所示。

圖1　送檢試樣宏觀照片

圖21　#和2#斷裂件斷口的宏觀形貌

2　問題分析及解決措施

引起鎖緊螺母斷裂的原因，可能來源于材料、組織方面，也可能是本身強(qiáng)度等方面。為此，根據(jù)其工藝，結(jié)合材料方面的知識，采用放大鏡、顯微鏡、金相分析儀、硬度儀和光譜儀等對其進(jìn)行了斷口、金相和硬度等方面的分析。

（1）斷口分析

借助低倍放大鏡和高倍顯微鏡觀察斷口的宏觀和微觀形貌，并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和利用金屬材料知識來進(jìn)行斷口分析。

圖1所示為1#和2#斷裂件斷口的宏觀形貌［1］，1#件斷口較平整，無明顯塑性變形痕跡，斷口外側(cè)邊緣剪切唇為新鮮斷口，呈淺灰色（如圖短箭頭所示），其余區(qū)域基本已氧化發(fā)黑（如圖長箭頭所示）；2#斷裂件的宏觀形貌，與1#斷裂件類似，斷口無明顯塑性變形痕跡，外圈邊緣為剪切唇，呈淺灰色，為新鮮斷口（如圖1短箭頭所示），其余區(qū)域表面基本已氧化發(fā)黑（如圖1長箭頭所示）。

通過觀察1#件斷口黑色區(qū)域的微觀形貌［2］，可見斷面存在明顯的氧化腐蝕，但仍可見冰糖狀結(jié)晶形貌，且晶間有二次裂紋。由于斷面存在氧化腐蝕現(xiàn)象［3］，無法確定晶面是否存在雞爪形發(fā)紋；斷口外側(cè)邊緣的微觀形貌［4］，為韌窩形貌，該區(qū)域?yàn)榻K斷區(qū)。

通過觀察2#件斷口黑色區(qū)域除邊緣剪切唇外斷口微觀形貌，可見冰糖狀沿晶斷口，晶間有二次裂紋；斷口外側(cè)邊緣的微觀形貌，為等軸韌窩形貌。

（2）金相分析

借助金相分析儀觀察送檢完好件和1#斷裂件的芯部和斷口附近金相組織，并結(jié)合熱處理知識進(jìn)行對比分析［5］。

通過分析觀察都為均勻的回火索氏體，無異常。如圖3所示。

圖3　送檢完好件和1#斷裂件芯部金相組織

（3）硬度分析

對完好件和斷裂件進(jìn)行硬度試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示，斷裂件表面硬度偏高，不滿足“DIN EN ISO 898-1:2013［6］”對12.9級緊固件的硬度要求。

表1　送檢試樣硬度測試

（4）化學(xué)成分分析

失效零件為裝配時斷裂，斷面呈明顯黑色和新鮮斷口兩個區(qū)域（如圖2、圖4、圖5所示），黑色區(qū)域表面氧化嚴(yán)重，新鮮斷口表面無氧化，這說明兩個區(qū)域并非在同一時間產(chǎn)生。斷口黑色區(qū)域呈沿晶斷裂形貌，并伴有晶間二次裂紋，具有氫脆斷裂特征［7］。斷面外側(cè)邊緣的新鮮斷口區(qū)域?yàn)轫g窩形貌。沿晶斷口表面已基本被氧化腐蝕，僅邊緣終斷區(qū)無大量明顯的氧化腐蝕產(chǎn)物，說明送檢零件在后期表面氧化處理前已存在裂紋。送檢零件金相組織和化學(xué)成分均無異常。

圖41　#斷口微觀形貌

圖52　#斷口微觀形貌

采用直讀光譜法對完好件和斷裂件進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示。根據(jù)“JIS G4053-2008”，其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)中對SCM435鋼的要求。

表2　送檢試樣化學(xué)成分

抽取使用過的完好件和斷裂件各1件進(jìn)行氫含量檢測，結(jié)果如表3所示，可見送檢試驗(yàn)氫含量較高。而氫含量過高，易導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象，為此，為了進(jìn)一步確認(rèn)氫脆的影響，抽取使用過的完好件和斷裂件各10件再次進(jìn)行氫含量檢測，結(jié)果如表4所示，

表3　螺母氫含量

表4　螺母平均氫含量

氫脆是由于氫滲入金屬內(nèi)部而產(chǎn)生的損傷，導(dǎo)致零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下斷裂，無征兆、具有突發(fā)性。零件內(nèi)部的氫來源途徑通常包括：原材料、熱處理、表面處理（如酸洗、電鍍）、環(huán)境腐蝕等幾個環(huán)節(jié)。零件的氫脆敏感性不盡相同，含氫量越高，強(qiáng)度、硬度及所受張應(yīng)力越大，則氫脆敏感性越高。

該零件熱處理后再滾螺紋，其頭部存在較深的內(nèi)六角孔且桿部還攻有螺紋孔，這種結(jié)構(gòu)容易在滾壓外螺紋時在內(nèi)六角底部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力；零件在滾壓外螺紋后，在表面氧化處理過程中又采用酸洗的方式去油、除銹，從而導(dǎo)致氫滲入零件（根據(jù)氫含量檢測，螺母氫含量高達(dá)6～7ppm），同時斷裂件硬度較高，氫脆敏感性大。于是，零件在氫及內(nèi)應(yīng)力共同作用下首先在應(yīng)力集中的內(nèi)六角底部產(chǎn)生氫致裂紋，并在后續(xù)的氧化發(fā)黑過程中裂紋表面被腐蝕氧化。氫致裂紋的產(chǎn)生不僅引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中，而且使零件承力面積減小，導(dǎo)致零件在裝配應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂，而裝配時斷裂的斷面即為新鮮斷面，其表面為韌窩形貌且無氧化腐蝕。

（5）解決措施

送檢零件斷裂原因是存在原始裂紋，原始裂紋為氫致裂紋，氫來源于氧化發(fā)黑前的酸洗。建議采取以下措施：

采用堿性電解去油、除銹，若不能避免酸洗，則應(yīng)滾壓外螺紋后采取去應(yīng)力處理，并在表面處理后四小時內(nèi)進(jìn)行驅(qū)氫處理。

該批零件氫含量、硬度較高，存在較高的氫脆風(fēng)險，不排除已裝配的零件后續(xù)發(fā)生氫致開裂的可能，如果在使用過程中發(fā)生斷裂會對系統(tǒng)運(yùn)行造成較大安全隱患，所以建議全部召回并更換新工藝零件。

3　結(jié)束語

通過斷口分析、金相分析等工作，找到了螺母斷裂的根源，解決了客戶反饋的斷裂問題，實(shí)際效果是完善工藝避免了此類質(zhì)量問題再次出現(xiàn)。

參考文獻(xiàn)：

［1］俞雁，宋貞楨，李瑞峰，等.發(fā)動機(jī)缸蓋螺栓斷裂失效分析［J］.汽車技術(shù)，2010，30（9）:54.

［2］朱重慶，張先鳴，內(nèi)六角螺釘斷裂失效分析［J］.金屬制品，2013，39（4）:60.

［3］于俊才，姜玉春，張懷鵬.支撐螺栓斷裂原因分析［J］，機(jī)械工程師，2012，43（5）:142.

［4］陳偉峰，徐云峰，任鵬波，等.汽車輪轂螺栓斷裂分析［J］.物理測試，2011，33（5）:42.

［5］楊永生，仝建萍，劉巖，等.螺栓斷裂原因分析［J］，熱處理，2012，27（4）:60.

［6］GB/T3098.1-2010，緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱［S］.

［7］劉白.30CrMnSiA高強(qiáng)度鋼氫脆斷裂機(jī)理研究［J］.機(jī)械工程材料，2001，25（9）:18.

Fracture Demonstration Analysis for the Lock Nut

LI Wen-kui1，HANG Hong-yuan2
（1.Xinxiang Pingyuan Aviation Supplies Co.，Ltd，Xinxiang Henan 453000，China；2.Xinxiang Vocational and Technical College，Xinxiang Henan 453000，China）

Abstract：Nut part no.145142XDH2514 was cracked in assembling，and the assemble torque is 80～90N*m.After tested crack part by Macroscopic and microscopic inspection，crack analysis，hardness test，chemical composition analysis，content of hydrogen，metallographic test and etc.，the result shows:samples are with original crack which is occuered due to the existence of hydrogen atom.In the assembling process，original crack will expand with the increase of the pretightening force，and then suddenly break.You can use alkaline cleaning oil and derusting，or taking ultrasonic cleaning oil and sandblasting derusting to avoid hydrogen embrittlement.

Key words：lock nut；hydrogen embrittlement；fracture analysis

中圖分類號：TB302

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1672-545X（2016）03-0182-03

收稿日期：2015-12-03

作者簡介：李文魁（1982-），男，河南新鄉(xiāng)人，工程師，從事?lián)Q熱器和過濾器的設(shè)計研發(fā)、工藝實(shí)現(xiàn)工作。