鋼制螺栓液態(tài)金屬致脆分析

劉華東，薛喜才

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司，上海 201805）

0 引言

SCM435 冷鐓鋼具有可塑性好、淬透性高、零件尺寸精度高、表面粗糙度好等優(yōu)點(diǎn)，在高強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)件領(lǐng)域應(yīng)用較為廣泛[1-3]。液態(tài)金屬致脆導(dǎo)致零件失效問題時(shí)有發(fā)生，而且一般屬于瞬時(shí)脆性斷裂，一旦出現(xiàn)，造成的破壞較為嚴(yán)重[4-6]。目前，國內(nèi)對(duì)液態(tài)金屬致脆引起的失效問題也已經(jīng)有所研究，主要從材料、工藝以及使用環(huán)境等方面去分析零件失效機(jī)理和模式。例如，20 世紀(jì)90 年代曾發(fā)生Bi-Sn 低熔點(diǎn)合金導(dǎo)致的民用客機(jī)渦輪葉片發(fā)生液態(tài)金屬致脆，險(xiǎn)些釀成事故[5]；張權(quán)明等[6]對(duì)連接螺栓開裂原因進(jìn)行分析，認(rèn)為螺栓表面鍍鋅層和螺母表面鍍鎘層提供了低熔點(diǎn)金屬，零件工作過程中承受較高溫度和拉應(yīng)力，最終引起零件發(fā)生液態(tài)金屬致脆開裂；而文獻(xiàn)中關(guān)于使用環(huán)境導(dǎo)致的液態(tài)金屬致脆顯有報(bào)道。

汽車空調(diào)壓縮機(jī)冷鐓鋼螺栓法蘭面在使用過程中發(fā)生開裂，引起制冷劑泄露（圖1）。螺栓規(guī)格為M6×80 mm，強(qiáng)度等級(jí)為10.9 級(jí)，安裝扭矩為7 N·m+120°轉(zhuǎn)角。螺栓的制造工藝為：原材料→球化退火→線材改制→冷鐓→搓絲→熱處理（調(diào)質(zhì)）→電鍍鋅→去氫→檢測(cè)。本研究通過對(duì)螺栓的失效機(jī)理分析及使用環(huán)境的調(diào)查，探明失效原因，以防止類似的故障發(fā)生。

圖1 失效零件宏觀Fig.1 Macrography of failure part

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

空調(diào)壓縮機(jī)殼體固定螺栓共有6 個(gè)，除失效件外其余5 個(gè)均正常。螺栓法蘭面下套有銅墊片，墊片表面鍍錫，其中失效螺栓對(duì)應(yīng)的墊片相比于正常螺栓墊片，表面鍍錫層有明顯剝落（圖2）。

圖2 螺栓墊片F(xiàn)ig.2 Bolt gasket

將螺栓法蘭面裂紋打開，使用體視顯微鏡觀察斷口形貌，可見斷口平齊，未見明顯塑性變形，斷面顏色呈暗灰色，疑似有腐蝕產(chǎn)物覆蓋（圖3）。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro-morphology of fracture

1.2 斷口分析

將打開的斷口放入掃描電鏡中觀察其微觀形貌，并進(jìn)行微區(qū)成分能譜分析。斷口微觀形貌為冰糖狀沿晶斷口及少量二次裂紋，晶粒表面有覆蓋物（圖4a）。在斷口微觀形貌局部區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)有明顯球狀物（圖4b），斷口裂縫中聚集的球狀物較多（圖4c）。

圖4 斷口微觀形貌Fig.4 Micro-morphology of fracture

對(duì)斷面上的球狀物進(jìn)行能譜分析，其主要成分為Sn。結(jié)合失效墊片表面有錫層脫落，可以判斷Sn 來源于墊片表面鍍錫層，可能是其由于受到高溫后發(fā)生熔化，最后重新凝結(jié)成該球狀。

1.3 成分和硬度檢測(cè)

采用直讀光譜儀和維氏硬度計(jì)對(duì)螺栓進(jìn)行理化檢驗(yàn)，對(duì)照Q/BQB 517—2018 對(duì)SCM435 鋼成分技術(shù)要求和GB/T 3098.1—2010 對(duì)10.9 級(jí)螺栓硬度要求（HV10320～380），可知失效螺栓化學(xué)成分和硬度（HV10368～372）符合標(biāo)準(zhǔn)要求[7-8]。

1.4 金相分析

將螺栓沿軸向剖開制成金相試樣，用4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液浸蝕。金相觀察可見螺紋底部無折疊缺陷，表面碳勢(shì)正常（圖5a），心部顯微組織為回火索氏體（圖5b），均符合技術(shù)要求。

圖5 螺栓表層顯微組織Fig.5 Microstructure of bolt

再將斷口部位軸向剖開制成金相試樣，經(jīng)4%（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精浸蝕后觀察金相組織，可見斷口表面有明顯白亮色物質(zhì)，沿晶界往心部滲入（圖6）。

圖6 斷口截面金相組織Fig.6 Microstructure near fracture

對(duì)沿晶界滲入的白色物質(zhì)進(jìn)行能譜分析，可知其主要元素為Sn，與斷口微觀形貌上球狀物掃描結(jié)果一致，這說明低熔點(diǎn)金屬錫已經(jīng)沿著螺栓晶界滲入，形成微裂紋。

2 分析及討論

失效零件屬于高強(qiáng)度螺栓，硬度較高，采用電鍍工藝，存在引入氫的風(fēng)險(xiǎn)，一般內(nèi)應(yīng)力較大，會(huì)懷疑發(fā)生氫脆斷裂。氫脆斷口為沿晶斷口，晶面上有發(fā)紋或雞爪紋[9-10]；而該沿晶斷口晶面上未發(fā)現(xiàn)明顯發(fā)紋或雞爪紋，開裂發(fā)生在與鍍錫墊片接觸的法蘭面位置，而非應(yīng)力集中的螺紋根部位置，與氫脆斷裂特征不相符，因此排除氫脆的可能性。

金屬零件與低熔點(diǎn)金屬接觸，受熱后低熔點(diǎn)金屬使金屬零件表面浸濕而脆化，在拉應(yīng)力的作用下，從零件表面起裂，而裂紋尖端吸附低熔點(diǎn)液態(tài)金屬原子，進(jìn)一步降低金屬零件的晶體結(jié)合鍵強(qiáng)度，使裂紋沿晶界向零件內(nèi)部擴(kuò)散，引起材料脆化并導(dǎo)致零件斷裂的現(xiàn)象，一般稱為液態(tài)金屬致脆[6]。在沒有拉應(yīng)力和一定的溫度共同作用下是不會(huì)產(chǎn)生低熔點(diǎn)金屬接觸脆化失效的，拉應(yīng)力可以是外加拉應(yīng)力，也可以是零件在工藝過程中形成的殘余應(yīng)力。發(fā)生液態(tài)金屬致脆的溫度也是一個(gè)重要因素，低熔點(diǎn)金屬Sn 與鋼制合金材料相接觸，當(dāng)溫度達(dá)到Sn 的熔點(diǎn)溫度時(shí)，甚至僅到一半以上時(shí)就會(huì)發(fā)生開裂[10-12]。結(jié)合斷口、金相和能譜分析，該失效螺栓斷裂特征符合液態(tài)金屬致脆特征。

調(diào)查失效零件所在車輛的使用情況，發(fā)現(xiàn)該車2 月前發(fā)生過事故，前保險(xiǎn)杠、防撞梁、發(fā)蓋、左右翼子板及散熱器前端總成均發(fā)生嚴(yán)重破壞。維修記錄顯示，對(duì)受損部位進(jìn)行過鈑金、焊接、噴漆以及烘烤等維修操作。維修人員所使用的烤漆燈溫度約150 ℃，滿足液態(tài)金屬Sn 致脆發(fā)生的溫度條件。

綜上分析，零件開裂是由于螺栓法蘭面接觸到墊片表面低熔點(diǎn)金屬錫，而零件作為高強(qiáng)度螺栓電鍍后本身會(huì)存在一定殘余拉應(yīng)力，安裝后也會(huì)受到拉應(yīng)力，當(dāng)遇到高溫環(huán)境時(shí)，Sn 發(fā)生熔化后從零件表面向心部擴(kuò)散，由于晶界是優(yōu)先擴(kuò)散通道，使得晶界受到極大弱化，最終發(fā)生液態(tài)金屬致脆開裂。

3 改進(jìn)措施

對(duì)于液態(tài)金屬致脆開裂的問題，建議從以下3 個(gè)方面進(jìn)行改進(jìn)和預(yù)防：

1）減少零件拉應(yīng)力。該零件屬于高強(qiáng)度螺栓，電鍍工藝中會(huì)引入氫，增加零件內(nèi)應(yīng)力?？赏ㄟ^去氫工藝消除或降低氫引入帶來的內(nèi)應(yīng)力，是減少拉應(yīng)力的一個(gè)比較有效的措施；而螺栓工作載荷對(duì)零件表面帶來的拉應(yīng)力比較難以改善。

2）改善使用環(huán)境。降低零件工作溫度，或縮短高溫下停留時(shí)間，也是有效避免液態(tài)金屬致脆的措施。該失效更多的就是使用環(huán)境出現(xiàn)問題，在實(shí)際工作中要避免零件接觸到高溫環(huán)境。

3）切斷低熔點(diǎn)金屬來源，這也是最有效最直接的一條措施。該螺栓墊片采用鍍錫主要為了起到密封作用，這可以采用密封膠代替，從而杜絕與低熔點(diǎn)金屬錫接觸引發(fā)的液態(tài)金屬致脆開裂問題。

4 結(jié)論

1）螺栓法蘭面呈樹枝狀開裂，斷口微觀上呈沿晶狀，晶粒間有低熔點(diǎn)金屬錫。

2）開裂原因是螺栓法蘭面接觸到墊片表面低熔點(diǎn)金屬錫，而零件作為高強(qiáng)度螺栓電鍍后本身會(huì)存在一定殘余拉應(yīng)力，安裝后也會(huì)受到拉應(yīng)力，當(dāng)遇到高溫環(huán)境時(shí)，錫發(fā)生熔化后從零件表面向心部擴(kuò)散，由于晶界是優(yōu)先擴(kuò)散通道，使得晶界受到極大弱化，最終發(fā)生液態(tài)金屬致脆開裂。