某汽車差速器用高強(qiáng)度螺栓在裝配后短期內(nèi)發(fā)生了多起斷裂失效。文章采用掃描電鏡、硬度檢測及化學(xué)成分分析等手段對(duì)失效螺栓斷裂的主要原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：螺栓失效模式為典型的延遲斷裂，主要原因是螺栓在熱處理過程中表面增碳，導(dǎo)致其表面硬度偏高，從而增加了延遲敏感性。根據(jù)螺栓生產(chǎn)工藝，調(diào)整了回火溫度，并對(duì)淬火加熱爐內(nèi)保護(hù)氣氛進(jìn)行了調(diào)整，降低了螺栓的延遲斷裂敏感性。實(shí)踐結(jié)果表明，工藝調(diào)整后的螺栓未發(fā)現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象。

　　隨著我國汽車工業(yè)的快速發(fā)展和汽車電動(dòng)化的發(fā)展趨勢(shì)，汽車行業(yè)對(duì)高強(qiáng)度緊固件的需求劇增。緊固件是一種非常重要，使用很廣泛的連接件，應(yīng)用廣泛。按 GB 3098.1 的規(guī)定，將螺栓、螺釘和螺柱的性能等級(jí)分為 10 個(gè)級(jí)別，8.8 級(jí)及以上的稱作高強(qiáng)度緊固件，其應(yīng)用和發(fā)展對(duì)現(xiàn)代機(jī)械的緊湊小型化、輕量化、高性能化及提高結(jié)構(gòu)工程的連接強(qiáng)度起著重要的作用。由于高強(qiáng)度緊固件的 承載能力和使用壽命比中、低強(qiáng)度緊固件高很多，其延遲開裂現(xiàn)象經(jīng)常出現(xiàn)，具有廣泛性和多發(fā)性特點(diǎn)，失效原因主要包括設(shè)計(jì)、制造、使用等。另由于延遲斷裂的隱蔽性強(qiáng)，事先很難發(fā)現(xiàn)，所以其危害性很大，應(yīng)當(dāng)引起相關(guān)行業(yè)關(guān)注。

　　本文針對(duì)汽車差速器用高強(qiáng)度螺栓的延遲開裂現(xiàn)象進(jìn)行了詳細(xì)分析，確定了螺栓的斷裂性質(zhì)，明確了失效的根本原因，提出了有效的預(yù)防和改進(jìn)措施，并闡述了汽車行業(yè)關(guān)于高強(qiáng)度螺栓延遲開裂問題的理解與認(rèn)知，結(jié)論可供其他行業(yè)緊固件設(shè)計(jì)者和使用者參考和借鑒。

　　一、斷裂情況介紹

　　某批次汽車差速器用高強(qiáng)度螺栓材料牌號(hào)為 SCM435，制造工序?yàn)椋合铝?rarr;鍛造六角頭→滾壓螺紋→熱處理→表面發(fā)黑→除氫。成品性能等級(jí)要求為 12.9 級(jí)，如圖 1 所示，硬度要求為 39～44 HRC(385～435 HV)。裝配后短期內(nèi)發(fā)生多起斷裂失效，部分安裝完畢后自行斷裂脫落，部分排查擰緊時(shí)斷裂脫落。斷裂位置均發(fā)生在螺栓六角頭根部 R 角處，失效件宏觀形貌如圖 2 所示。

　　二、試驗(yàn)結(jié)果及分析

　　斷口宏觀形貌觀察

　　失效螺栓斷口宏觀形貌如圖 3 所示。圖中箭頭所示為裂紋快速擴(kuò)展撕裂棱，并呈典型的棘輪狀特征分布。根據(jù)撕裂紋路收斂方向判斷裂源位于斷口邊緣表面區(qū)域，裂源處未見與斷裂有關(guān)的宏觀冶金缺陷和機(jī)械損傷痕跡，瞬斷區(qū)位于斷口中部。在宏觀體式顯微鏡下觀察，斷面粗糙，呈結(jié)晶顆粒狀，斷面干凈，無腐蝕產(chǎn)物，無明顯宏觀塑性變形，斷面呈典型的脆性斷裂特征，如圖 4 所示。

　　斷口電鏡形貌分析

　　將螺栓斷口用丙酮超聲波清洗后，在掃描電子顯微鏡下觀察，裂源處未見夾雜、夾渣等冶金缺陷和折疊、擦傷等制造缺陷，斷口呈典型的冰糖狀沿晶斷裂特征，并伴有大量晶間二次裂紋，如圖 5 所示。進(jìn)一步放大形貌觀察，晶界表面可見明顯塑性撕裂紋路(雞爪紋)，如圖 6 所示。心部瞬斷區(qū)形貌為韌窩 + 沿晶，如圖 7 所示。

　　顯微組織分析

　　將斷裂螺栓縱向剖開取樣，在拋光態(tài)下按 GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》進(jìn)行檢驗(yàn)，結(jié)果為：A0.5，B0，C0.5，D0.5，如圖 8 所示，說明非金屬夾雜物輕微，未見異常。

　　經(jīng)拋光、侵蝕后進(jìn)行金相檢查，如圖 9，基體組織為回火索氏體，奧氏體晶粒度約 8 級(jí)。值得注意的是，螺栓表面組織為回火索氏體+顆粒狀碳化物，表明存在增碳現(xiàn)象，如圖 10 所示。

　　化學(xué)成分分析

　　為確定失效螺栓元素含量是否合格，從螺栓取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，檢驗(yàn)結(jié)果如表 1 所示。可見失效螺栓元素含量符合 JISG 4053—2008《機(jī)械構(gòu)造用合金鋼》中對(duì) SCM435 化學(xué)成分的要求。

　　硬度檢測

　　失效螺栓硬度檢驗(yàn)結(jié)果如表 2 所示，表面硬度和心部硬度均不符合 GB / T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中對(duì)12.9 級(jí)螺栓的要求，其中表面硬度過高與增碳有關(guān)。

　　再回火試驗(yàn)

　　按 GB / T 3098. 1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中規(guī)定的試驗(yàn)方法對(duì)失效螺栓進(jìn)行再回火試驗(yàn)，工藝參考客戶提供的《螺栓熱處理工藝卡》，回火溫度(460 ± 10)℃ ，保溫時(shí)間(60 ± 5)min。試驗(yàn)前后同一區(qū)域硬度下降約40HV，結(jié)果不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，如表 3 所示，說明失效螺栓在生產(chǎn)制造時(shí)存在回火不充分的現(xiàn)象，這也是心部硬度偏高的主要原因。

　　三、失效原因分析與討論

　　該批螺栓失效特點(diǎn)是裝配后數(shù)小時(shí)內(nèi)(短時(shí)間內(nèi))發(fā)生斷裂，并非在車輛運(yùn)行狀態(tài)下失效。根據(jù)宏觀棘輪狀脆性斷口和微觀沿晶開裂形貌及晶界雞爪紋等特征，判斷該批次高強(qiáng)度螺栓失效性質(zhì)符合延遲性開裂特性。延遲開裂是指金屬零件在一定金相組織狀態(tài)、靜載荷(正應(yīng)力)及其他條件下，裂紋萌生并逐步擴(kuò)展的過程，亦稱靜疲勞。

　　宏觀棘輪狀多源性斷口是螺栓表面增碳和裝配軸向拉應(yīng)力及扭轉(zhuǎn)載荷共同作用的結(jié)果，其力學(xué)模型如圖 11 所示，另外也表明了螺栓對(duì)延遲開裂有較高的敏感性。

　　螺栓硬度測試結(jié)果顯示，表面硬度高出心部硬度 30 HV，依據(jù) GB 3098.1《緊固件機(jī)械性能—螺栓、螺釘和螺柱》中 9.11.2.4 條的規(guī)定，并結(jié)合金相組織分析說明失效螺栓表面已增碳。增碳使螺栓表面硬脆，塑性明顯低于內(nèi)部，也是引起螺栓脆性斷裂的主要原因。再回火試驗(yàn)說明，螺栓回火不充分，使螺栓心部硬度偏高，也是心部出現(xiàn)部分沿晶性微觀形貌的原因。

　　螺栓在裝配過程中頭根部處于扭轉(zhuǎn)和拉伸應(yīng)力作用下，在三向不等拉應(yīng)力狀態(tài)下，不利于材料的塑性變形，增加了脆性傾向。同時(shí)這些部位截面變化較大，應(yīng)力集中嚴(yán)重、開裂危險(xiǎn)性大。當(dāng)生產(chǎn)工藝調(diào)整不當(dāng)而表面產(chǎn)生增碳時(shí)，表面硬度可達(dá)到 50 HRC 以上，使螺栓延遲開裂的敏感性大幅增加，失效螺栓的表面硬度在 493～501 HV，技術(shù)要求 385～435 HV。

　　以上述高強(qiáng)度螺栓延遲開裂為例，目前延遲開裂應(yīng)用最廣泛的是“氫脆”機(jī)理，普遍認(rèn)為工藝氫的引入是此類失效的主因。但在汽車行業(yè)大量采用的方式是控制“馬氏體組織”(包括“不充分的 回火組織”)和“持久應(yīng)力”兩大關(guān)鍵要素。原因是高強(qiáng)度零部件延遲開裂的最短時(shí)間僅為數(shù) 10 s， 對(duì)于傳統(tǒng)的“氫致”裂紋機(jī)理，該時(shí)間內(nèi)在室溫下完成氫原子(離子)的擴(kuò)散、聚集、氫氣的析出等過程幾乎是不可能的。因此，認(rèn)為氫存在于晶界上，可以降低晶界的能量，導(dǎo)致晶界的滑移剪切抗力的降低可使晶界的滑移剪切抗力降低，有利于晶界的滑移，這種機(jī)制不需要?dú)涞臄U(kuò)散時(shí)間，主要是晶界的黏滯性滑移和裂紋擴(kuò)展需要時(shí)間，故表現(xiàn)出開裂的延遲特性。而這種特性對(duì)馬氏體組織及其不充分的回火組織異常敏感，文中螺栓表面增碳和心部硬度偏高都將顯著增加螺栓延遲開裂的敏感性。

　　四、改進(jìn)措施

　　對(duì)螺栓淬火后，調(diào)整了原來的回火工藝參數(shù)，將回火溫度提高到(520±20)℃ ，保溫時(shí)間延長至 120 min，淬火爐內(nèi)保護(hù)氣氛控制在 0.30% ～ 0.40% 。將工藝調(diào)整后的螺栓人工折斷后進(jìn)行掃描電鏡分析，斷口呈正常韌窩形貌，如圖 12 所示，硬度測試結(jié)果為 386 ～ 388 HV，符合 GB / T 3098.1—2010《緊固件機(jī)械性能螺栓、螺釘和螺柱》中對(duì) 12.9 級(jí)螺栓硬度規(guī)定的 385 ～ 435 HV。顯微組織為均勻細(xì)回火索氏體，表面無增碳現(xiàn)象，如圖 13 和圖 14 所示。工藝改進(jìn)后的螺栓未發(fā)現(xiàn)延遲開裂現(xiàn)象。

　　五、結(jié)論和建議

　　該批失效螺栓的斷裂性質(zhì)為延遲開裂，其原因是心部硬度偏高、表面增碳。為預(yù)防類似失效事故再次發(fā)生，建議完善螺栓生產(chǎn)過程中的熱處理工藝，適當(dāng)調(diào)整爐內(nèi)碳勢(shì)、回火溫度及回火時(shí)間等。另外，在滿足使用工況下的條件下，可考慮降低螺栓性能等級(jí)要求。

　　馬氏體及其不充分的回火組織顯著增加高強(qiáng)度零部件延遲開裂的敏感性，是延遲開裂的必要條件。汽車行業(yè)失效分析是一門工程應(yīng)用技術(shù)，建議充分考慮“組織” 和“應(yīng)力”兩大因素，“氫” 作為重要的致裂因素，工程上應(yīng)予以回避。

　　參考文獻(xiàn)略.