關于壓鉚螺釘斷裂問題的分析研究

王 欣, 劉 鵬, 胡 維, 李正強

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所, 北京 100081)

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關于壓鉚螺釘斷裂問題的分析研究

王 欣, 劉 鵬, 胡 維, 李正強

(中國鐵道科學研究院 機車車輛研究所, 北京 100081)

某機箱上安裝的壓鉚螺釘出現斷裂，為分析其斷裂失效原因，對斷裂螺釘的工況、成分、性能等幾個方面進行了分析，并用掃描電鏡(SEM)對螺釘斷口進行了觀察分析，綜合各項分析結果確定螺釘斷裂屬于脆性斷裂，造成斷裂的主要原因是材料硬度偏高且鍍錫過程未進行去氫處理而產生氫脆。

壓鉚螺釘; 斷口分析; 氫脆

某機箱組裝完成后，在廠內進行試驗測試時發現了裝在鈑金上的2根壓鉚螺釘出現斷裂。經過技術分析，確認該螺釘只在安裝時受到預緊力的作用，螺釘組裝到機箱上后主要起到固定鈑金的作用，且安裝到機箱上后螺釘不再承受其他外力。由于機箱在廠內進行的試驗測試是針對機箱內其他零部件的性能測試，與螺釘無關，且機箱的試驗測試也不會對螺釘產生機械振動、沖擊等影響，因此可以排除斷裂是由于試驗測試造成的。

為明確此次螺釘斷裂失效的具體原因，并確定螺釘的后續處理方案和改進措施，本文對斷裂螺釘的工況、材料化學成分、機械性能等幾個方面進行了分析和研究。

1 壓鉚螺釘概況

壓鉚螺釘適用于機箱鈑金類的薄鈑，安裝簡單方便。壓鉚螺釘的工作原理是：螺釘依靠專用工具壓入薄板的孔中，施壓的過程中產品頭部排出的板料平穩、均勻的流入筋鍵周邊和容槽內，安裝完畢后，螺釘與薄板緊密鉚接在一起，安裝板表面平整，安裝效果可靠。

研究的螺釘是安裝在某機箱薄板上的壓鉚螺釘，該螺釘規格為FHS-M6-18，其中FHS(Flush Head Studs) 代表螺釘為齊頭螺釘，材質為不銹鋼(Stainless Steel)，M6-18表示螺紋為粗牙M6×1，總長度18 mm。此次出現2根斷裂螺釘的形貌如圖1所示。

2 螺釘預緊力計算和校核

為了分析螺釘的斷裂原因，首先要對螺釘的受力情況進行校核結算。在螺釘連接時，一般對螺母施加一定的緊固力矩T，從而使得螺釘在受到工作載荷之前就受到預緊力F的作用，該預緊力F就是螺母緊固后螺釘受到的軸向拉力。

預緊力F與緊固力矩T的關系與較多參數有關，一般可以簡化為式(1)進行計算：

(1)

圖1 斷裂螺釘的形貌

其中T為螺母緊固力矩；k為當量力矩系數；F為螺釘受預緊力；d為螺釘大徑。

對于該螺釘，T=6.5 N·m，d=6 mm，k=0.2(根據零件表面處理取值)，由此可計算出預緊力：F=T/(k·d)=6.5/(0.2×6×10-3)=5 416.67 N≈5.4 kN 螺釘的極限拉力可以根據利用抗拉強度和橫截面積采用以下公式計算得出：

其中Fb為螺釘的極限拉力；σb為抗拉強度；r為橫截面半徑。

該螺釘按設計要求材料選擇304不銹鋼，按標準304鋼的抗拉強度σb≥520 MPa，M6螺釘的橫截面直徑為小徑d1=5.35 mm，r=d1/2，由此可以計算得出該螺釘理論上可承受的極限拉力為：

=11 553.04 N≈11.5kN

由此可見，在按技術規定對螺釘施加6.5 N·m緊固力矩的情況下，螺釘所受軸向力F=5.4僅為極限拉力的約1/2，理論上遠小于螺釘軸向所能承受的極限拉力，因而按計算結果若螺釘各項指標正常的情況下螺釘不應出現斷裂。

上述計算說明，螺釘的設計承載未超出材料標準要求，螺釘正常情況下不應該出現斷裂。 因而，需要確認螺釘的材質是否符合標準要求，為此對螺釘的材料進行了檢驗和分析。

3 螺釘材料檢驗及工藝分析

利用光譜儀對斷裂螺釘的材料進行成分檢驗，檢驗結果是螺釘材料為2Cr13，2Cr13的抗拉強度標準要求不低于640 MPa。由于螺釘尺寸較小，無法進行強度檢驗，因而檢測了斷裂螺釘的HRC硬度，檢測值為HRC47，由此可以推算出其抗拉強度約為1 550 MPa，該強度遠遠高于2Cr13標準抗拉強度640 MPa，由此可見，該批次螺釘的材料強度過高，這樣高的強度情況下螺釘的韌性必然顯著下降，這給螺釘的斷裂留下隱患。

另外，該螺釘要求進行表面鍍錫，螺釘的鍍錫工藝生產流程為：除油→水洗→弱腐蝕(鹽酸或硫酸)3～5%→水洗→鍍氯化鎳(不銹鋼件進行)<1μm→水洗→氰化鍍銅→水洗→堿性鍍錫→水洗→壓縮空氣吹平→卸掛。

按相關標準及文獻研究[1-2]，一般鋼制件在進行表面堿性鍍錫處理前需進行酸洗以去除表面的銹蝕、油污等，從而增加鍍錫層的表面結合力，酸洗后大量的氫氣會聚集在螺釘表面及次表面，極易發生延遲斷裂，產生氫脆，因此在進行酸洗后，需要對螺釘及時進行去氫處理。高強度鋼(>1 000 MPa)在鍍錫處理過程中更需要進行去氫處理，由于該批次螺釘的鍍錫工藝按上述工藝執行，未進行去氫處理，由此可以初步判定：螺釘的斷裂是由于鋼強度較高且未進行去氫處理，導致螺釘發生延遲斷裂，即氫脆斷裂。一般氫脆可以通過觀察斷口來判斷，判定氫脆斷口的幾個典型特征是：(1)沿晶斷裂，(2)雞爪紋,即沿晶小刻面上出現細小的、發育不完整的韌窩，(3)二次裂紋。為確認斷裂原因，對螺釘斷口利用掃描電鏡進行觀察，情況如下：

4 斷口分析

4.1 螺釘斷口宏觀形貌

螺釘斷裂位置如圖2所示，其中1#螺釘斷裂發生在長方形板條的右數第一安裝孔，斷裂位置與長方形板條安裝面平齊；2#螺釘斷裂發生長方形板條的右數第3安裝孔，斷裂位置凸出長方形板條安裝面 7.5 mm，如圖3所示。

圖2 螺釘的斷裂位置

圖3 2#螺釘斷面高度

1#螺釘斷口的宏觀形貌如圖4(a)所示，裂紋沿螺紋根部圓周方向呈放射狀向芯部擴展，芯部凸起部分為最終撕裂區；圖4(b)為2#螺釘斷口的宏觀形貌，裂紋沿螺紋根部圓周方向呈放射狀向芯部擴展斷口分兩部分，一部分面積較大且平齊呈灰色部分，另一部分面積較小且顏色較淺，兩部分裂紋面交會形成撕裂臺階。

圖4 螺釘斷口宏觀形貌

4.2 螺釘斷口掃描電鏡(SEM)形貌

1#螺釘斷口的低倍SEM形貌如圖5所示，可以觀察到斷口上零散分布有少量的氧化腐蝕產物。斷口芯部放大500倍后如圖6(a)所示，由圖可見斷口上分布有大量清晰可見的冰糖塊花樣，屬于典型的沿晶斷裂形貌特征，放大到1 000倍后觀察到在冰糖塊花樣間隙分布有少量的韌窩，觀察圓周邊緣后發現與芯部的微觀形貌相同，分布有大量清晰可見的冰糖塊花樣，如圖6(b)所示，屬于典型的沿晶斷裂形貌特征。

圖5 1#螺釘斷口低倍SEM形貌 50×

圖6 1#螺釘斷口芯部高倍SEM形貌

圖7為2#螺釘斷口的低倍SEM形貌，斷口有明顯碾壓痕跡，斷口裂紋面分為兩個部分，且存在裂紋擴展時形成的二次裂紋。2#螺釘斷口裂紋面SEM放大500倍的形貌如圖8(a)所示，由圖可知斷口為典型的沿晶斷裂形貌特征，再放大到1 000倍后可以觀察到冰糖塊花樣間隙分布有少量的韌窩，如圖8(b)所示，斷口出現韌性沿晶斷裂，沿晶面上出現細小的韌窩。

圖7 2#螺釘斷口低倍SEM形貌 50×

圖8 2#螺釘斷口高倍SEM微觀形貌

由上述螺釘的斷裂位置、宏觀形貌和斷口SEM微觀形貌檢測結果分析可知，螺釘斷裂屬于典型的脆性斷裂、斷口出現了韌性沿晶斷裂、且存在2次裂紋，以上幾個特征均符合氫脆斷裂的特征，由此可以判定螺釘斷裂是由于材料強度過高、且堿性鍍錫工藝過程未進行去氫處理，致使螺釘在使用過程中產生了氫脆斷裂。

針對以上分析明確的螺釘斷裂原因，對螺釘的生產工藝和技術參數都進行了系統的改進，并嚴格按技術要求生產了新的各項技術條件符合要求的螺釘。根據以上對斷裂螺釘的檢驗分析，判定出現斷裂螺釘的一個批次螺栓確實存在風險，為防止其他螺釘在使用中也出現斷裂的情況，對該批次組裝使用的所有螺釘進行了更換。由于此次螺釘斷裂是在廠內試驗階段發現的，未對產品使用造成影響，但我們在后續生產中也要進一步加強對產品的技術監管和質量控制，提升整體技術水平，確保產品質量安全。

5 結束語

通過對螺釘的材質檢驗和斷口分析說明，螺釘斷裂屬于典型的脆性斷裂，斷口出現了韌性沿晶斷裂且存在2次裂紋，由此可以確定螺釘是由于氫脆而產生了斷裂。螺釘產生氫脆斷裂的原因是所用材料的強度過高，且螺釘鍍錫工藝過程中未進行去氫處理。

[1] 鄒龍江，高路斯，王蘭芳. GCr15SiMn鋼軸承套圈磨削氫脆致斷分析[J]. 金屬熱處理. 2007,(32)：314-317.

[2] 張 璞. 淺談氫脆與鍍前消除應力和鍍后除氫處理[J]. 電鍍與環保. 2005,(11):11-12.

Analysis of Pressure Riveting Screw Fracture Problem

WANGXin,LIUPeng,HUWei,LIZhengqiang

(Locomotive & Car Research Institute, China Academy of Railway Sciences, Beijing 100081, China)

Pressure riveting screws assembly in the chassis fractures during the type tests. In order to analyze the failure cause, the working condition of screw fracture, the material chemical composition, mechanical properties, etc., are all analyzed in this paper. And the scanning electron microscope (SEM) analysis of bolt fracture is observed, and all these works determine the screw fracture belongs to brittle fracture, the main reason is high hardness of the material and tin plating process without dehydrogenafion cause hydrogen embrittlement.

pressure riveting screws; fracture analysis; hydrogen embrittlement

1008-7842 (2015) 03-0087-04

女，副研究員(

2015-01-20)

U260.6+7

A

10.3969/j.issn.1008-7842.2015.03.22