SWRCH22A鋼螺釘的斷裂原因

金昊昀，王 榮 呂 淵

(上海材料研究所，上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

0 引 言

某公司生產的SWRCH22A鋼螺釘主要用于固定卡箍，其服役位置如圖1所示。為檢查服役時螺釘是否存在氫脆現象，在服役一段時間后使用扭力扳手將其重新擰緊，當力矩達到3～4 N·m(小于安裝時的力矩6 N·m)時，5%10%的螺釘發生斷裂，斷裂位置在靠近螺釘頭部的第一扣螺紋處。該批次螺釘的加工流程為SWRCH22A鋼(直徑6 mm)→打頭(冷墩成型)→清洗→搓牙→熱處理→鍍鋅→氫脆測試。熱處理后螺釘表面0.05 mm深度范圍內的滲碳層硬度(載荷為2.942 N)應達到520～670 HV，心部硬度達到240～370 HV，滲碳層深度為0.100.23 mm；表面鍍鋅層厚度達到816 μm。為了找到螺釘的斷裂原因，作者對其進行了失效分析。

圖1 螺釘服役位置示意Fig.1 Schematic of service position of screws

1 理化檢驗及結果

1.1 宏觀形貌

所有斷裂螺釘的斷裂位置和宏觀斷口形貌均類似，因此隨機選取一枚斷裂螺釘，采用LEICA M205A型光學顯微鏡進行宏觀形貌觀察。由圖2可以看出：螺釘于靠近螺頭的第一扣螺紋處發生斷裂，斷裂后螺紋部分還保留在卡箍上，表面鍍鋅層未見明顯損傷；斷口較潔凈，未見明顯塑性變形和腐蝕特征，整體較平整、細膩，存在少量機械擦傷；斷口大致和螺釘的軸線方向垂直，具有氫脆型斷裂的典型宏觀特征。

圖2 斷裂螺釘及其螺帽斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fractured screw and screw head fracture

1.2 顯微組織

將未斷裂螺釘和斷裂螺釘螺頭剖開，經鑲嵌、磨拋和4%(質量分數)硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA M205A型光學顯微鏡觀察顯微組織。由圖3可以看出：斷裂螺釘螺頭表面存在滲碳層特征，斷裂位置為靠近螺頭的第一扣螺紋根部，斷裂面大致和螺桿軸線垂直，螺頭與螺桿的過渡圓弧半徑為0.391 mm，符合技術要求；未斷裂螺釘的表面也存在滲碳層特征，且滲碳層較為均勻，未見明顯缺陷和異常，螺頭與螺桿的過渡圓弧半徑為0.394 mm,略大于斷裂螺釘的。

圖3 斷裂螺釘和未斷裂螺釘螺頭剖面的低倍顯微組織Fig.3 Microstructures at low magnification of fractured (a) and unfractured (b) screw head profile

在斷裂螺釘螺桿上沿軸向截取試樣，經鑲嵌,磨拋后在LEICA DMI5000M型光學顯微鏡下觀察微觀形貌；在螺桿表面滲碳層和心部取樣，經鑲嵌，磨拋，用4%(質量分數)硝酸酒精溶液腐蝕后，采用LEICA DMI5000M型光學顯微鏡觀察顯微組織。

由圖4可以看出：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，未見其他明顯缺陷；斷裂螺釘表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體。

圖4 斷裂螺釘螺桿剖面形貌及表面滲碳層和心部顯微組織Fig.4 Profile morphology (a) and microstructures of surface carburized layer (b) and core (c) of fractured screw

1.3 斷口形貌

采用超聲波清洗儀清洗螺頭斷口，在Quanta 400FEG型掃描電子顯微鏡(SEM)上觀察斷口形貌。由圖5可以看出：螺頭斷口整體比較平整，靠近邊緣位置較為細膩，存在多個臺階特征，說明螺釘發生多源斷裂，靠近中心的大部分區域較為粗糙；靠近邊緣位置有一處顏色較深(位置①)，放大后可見沿晶斷裂形貌，且存在機械擦傷痕跡；另一處區域(位置②)為沿晶+準解理+少量韌窩形貌，存在二次裂紋，晶界上可見撕裂棱線，放大后可見次表面出現沿晶斷裂現象；斷口近中心區域(位置③)較粗糙，主要斷裂特征為準解理+少量韌窩+沿晶，且存在二次裂紋，晶界上可見撕裂棱線。

圖5 螺釘斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of screw fracture: (a) low-magnification morphology; (b) enlarged view of position ①;(c) enlarged view of position ② and (d) enlarged view of position ③

1.4 鍍層厚度

在螺釘頭部斷口上，采用LEICA DMI5000M型光學顯微鏡測量鍍鋅層厚度。頭部曲面鍍鋅層厚度測試值分別為12.41，11.41，12.61，12.41，11.41 μm，平均厚度為12.05 μm，滿足客戶公司的生產技術要求(8～16 μm)。

1.5 顯微硬度

采用FM-800型顯微硬度計測定螺紋根部截面和螺桿心部的硬度，載荷為2.94 N，保載時間為15 s。在距離螺紋根部表面0.05，0.10，0.15，0.20 mm處的顯微硬度分別為560，490，485，449 HV，滿足技術要求；硬度高于450 HV的為硬化層，則硬化層深度為0.15 mm左右，滿足表面硬化層深度在0.10～0.23 mm的技術要求；心部硬度測試值為362 HV，滿足客戶公司規定的技術要求(240～370 HV)。

1.6 螺釘受力分析

螺釘連接形式如圖6所示，橢圓部分為一塊類似于螺帽的帶螺紋墊片，起到增大受力面積、提高穩定性的作用。利用CAD軟件構建螺釘的二維圖，導入到Ansys軟件中進行三維建模。三維模型完成后進行網格劃分，如圖7所示，采用四面體單元，節點數為58 045，單元數為22 523。對模型擬施加500 MPa載荷進行仿真，結果見圖8。由圖8可以看出，螺釘在服役時，受力較大的位置位于與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部，其中靠近螺頭的第一扣螺紋為最大受力點，這和實際螺釘的斷裂位置吻合。

圖6 螺釘連接示意Fig.6 Schematic of screw connection

圖7 螺釘的有限元模型及網格劃分Fig.7 Finite element model and mesh division of screw

圖8 螺釘應力分布Fig.8 Stress distribution of screw

2 斷裂原因分析

由理化檢驗結果可知：靠近斷口處的螺紋根部存在微裂紋，與該位置應力較大的模擬結果吻合；螺釘硬度、表面滲碳層組織為針狀回火馬氏體+殘余奧氏體，心部組織為板條回火馬氏體+少量鐵素體；斷口較平整，未見明顯的塑性變形和腐蝕特征，斷裂起源于靠近螺釘頭部的第一扣螺紋處，具有多源特征，邊緣區域和中心區域均存在二次裂紋，晶界上可見撕裂棱線，呈氫脆型斷裂的典型特征；螺釘硬度、表面鍍鋅層厚度、滲碳層深度等均滿足技術要求；有限元仿真表明，服役過程中與兩塊板接觸的螺頭和螺紋根部受力較大，其中最大受力位置為靠近螺釘頭部的第一扣螺紋根部，與實際螺釘的斷裂位置吻合。

螺釘在裝配時施加了較大的力矩，其軸向承受著恒定的拉應力；在服役若干時間后，在較小力矩(小于裝配時的)作用下再次擰緊時發生斷裂，說明螺釘在服役過程中已經發生開裂，承載能力下降。綜上判斷，斷裂螺釘是在恒定拉應力作用下發生了延遲性氫脆斷裂。

螺栓、螺釘等緊固件在服役過程中常發生氫脆型斷裂[1-3]。氫脆斷裂的發生需要滿足3個條件：材料本身具有氫脆敏感組織，載荷恒定以及氫元素環境[4]。該螺釘要求表面滲碳，并且螺釘尺寸較小，可完全淬透，最終熱處理后的表面組織和心部組織均存在對氫脆較為敏感的回火馬氏體[5]。在后續鍍鋅過程或螺釘服役過程中，氫原子進入螺釘組織內部，向應力集中明顯的螺紋聚集；當氫濃度達到氫脆型斷裂所需要的臨界氫濃度時,螺釘發生氫脆斷裂[6-7]。

3 結論及措施

(1) 螺釘的斷裂性質為氫脆斷裂。螺釘經熱處理后形成了具有較大氫脆敏感性的馬氏體組織；在后續鍍鋅或服役過程中，氫原子進入組織內部。同時，服役時螺釘承受恒定拉應力作用，在螺紋根部產生較大應力。氫原子向應力集中明顯的螺紋根部聚集，導致裂紋萌生并擴展。最終，螺釘在應力集中程度最高的第一扣螺紋根部發生斷裂 。

(2) 為避免類似事故發生，建議鍍鋅時選用偏堿性的電鍍溶液，電鍍完成后，在鍍鋅層未鈍化前進行充分的除氫，即將螺釘放入溫度為200220 ℃的爐中除氫2 h以上，使氫氣有足夠的時間逸出；在保證承載能力條件下，建議增大螺牙底部圓角半徑以減緩應力集中。