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紧固件螺钉断裂综合分析
紧固件螺钉断裂综合分析
2.1 裂纹组织特征
断裂螺钉钢化学成分符合美国1018低碳钢技术要求。断裂螺钉根部存在横向微裂纹，并且裂纹呈锯齿状向内部延伸，裂纹内未见异常，具有氢脆延迟断裂特征。断裂螺钉表层显微组织为回火高碳马氏体，心部显微组织为回火低碳马氏体和贝氏体;通常优质碳素钢，淬火后心部组织应该为珠光体和铁素体，不应该得到马氏体组织，说明螺钉心部含碳量较高，增加了螺钉的淬透性，使其淬火后得到马氏体组织。
2.2 断口特征
螺钉断裂起始于螺钉根部，裂纹源区断口特征为沿晶和二次裂纹，裂纹扩展区和瞬断区断口特征为沿晶、二次裂纹和准解理，沿晶面上有鸡爪状花样，具有氢脆断口的鸡爪花样特征，进一步表明螺钉断裂属于氢脆延迟断裂。
2.3 热处理指标的分析
该批螺钉经渗碳淬火处理，显微硬度测试，结果表面硬度和心部硬度均在技术要求范围内，但用金相法检测渗层较深，达到0.17～0.20mm，超出该螺钉技术要求约2倍，强度增加，脆性增大。
2.4 受力分析
从螺钉安装一天以后发生断裂，可知该断裂螺钉在承受外力的条件下，由于断裂螺钉渗碳后，整体强度增高，螺钉表面经电镀锌，氢的渗入基体，氢脆的表观特征一般是表现为低应力延迟破坏。
3 讨论
①螺钉材料的强度越高，氢脆敏感性越大。这是因为，金属晶体结构中位错、晶界、沉淀相等氢积聚点多，在酸洗、电镀过程中螺钉吸氢的能力强，基体内应力较大;同时，延迟断裂的临界应力极限氢脆随着材料强度的升高而急剧下降。钢制螺钉因强度过高导致氢脆断裂失效，有时与设计过分强调硬度指标有关。原设计硬度为450～550HV0.3，渗碳淬火回火的温度区间为380～400℃，该温度为回火温度脆性区域，将硬度改为350～50HV0.3，结果回火温度在430～440℃或450℃，使得螺钉的氢脆敏感性降低，有效地预防了氢脆断裂的发生。
②钢制螺钉发生氢脆失效通常也与不合适的热处理有关。由于钢的强度水平与钢的微观组织有着密切关系。因而，在一定强度水平下，钢的氢脆断裂敏感性总是与某种特定的组织相联系。在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从大到小的一般顺序为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体。
淬火回火钢在300～400℃的温度范围回火时，其氢脆敏感性急剧恶化，这是由于低温回火脆性与氢脆现象叠加的结果。研究结果表明，回火脆化对氢致脆性断裂起着明显的促进作用，回火脆化程度较小，回火脆化和氢脆为线性相加;回火脆化程度较大，回火脆化将大大加剧氢脆程度。
分析认为：失效螺钉在较低的氢含量下发生氢脆断裂，其主要原因是由于螺钉存在中等程度的回火脆化。
③钢制螺钉经电镀处理后一般需进行驱氢处理，电镀后原则上应尽快驱氢，因为镀层中的氢和表面基体金属中的氢向钢基体内部扩散，其数量随时间延长而增加。一般认为：最好在镀后1h内，但不迟于3h，进行驱氢处理。驱氢工艺是否合理是关系到螺钉是否发生氢脆的一个关键性因素。目前国际上对于钢制紧固件驱氢工艺有一个通用标准，190～230℃加热保温24h，空冷。国内的钢制螺钉在进行驱氢处理时，大多选用180～210℃的加热温度，保温时间基本在2～4h左右。虽然该工艺可以降低螺钉中的氢含量，但并不适用所有的钢种，难以保证产品的可靠性使用，故驱氢工艺应该按钢种、强度及工作应力分别加以规定。
需要特别强调的是，对于重复加工件，在酸洗去除镀层后一定要先进行驱氢处理，然后电镀，再驱氢。之所以要在酸洗去除镀层后增加一道驱氢工序，是因为与酸洗除锈和氧化皮不同，酸洗去除镀层需要较长时间，螺钉会大量吸氢，这时若直接电镀，后续的驱氢处理则很难将氢去除干净，这也解释了螺钉为什么只有少数断裂的现象。
4 结论
该批螺钉断裂是因为渗碳层过厚，淬火、回火后得到回火低碳马氏体和贝氏体，脆性增大，镀锌后驱氢效果不好，上述因素综合作用导致部分螺钉在使用过程中发生氢脆延迟断裂。
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