某高強度螺栓不同類型斷口分析

肖友強, 高安科, 陳煒鋒

(上海特強汽車緊固件有限公司, 上海 201419)

汽車零部件的失效分析一直是汽車質量的重要研究課題之一，用于汽車上的螺栓在提高強度減小質量的同時，其安全性和可靠性愈加受到重視。近年來，汽車用螺栓失效案例時有發生，其中最嚴重的失效模式是斷裂。螺栓作為連接副的重要受力載體，出現斷裂輕則結構失效，重則造成嚴重安全事故。

在螺栓斷裂模式中，常見有過載、氫脆和疲勞斷裂3種，其中疲勞斷裂最為常見[1-2]。螺栓過載斷裂是指螺栓服役載荷超過螺栓能承受的最大載荷而發生斷裂現象，過載的原因多樣，螺栓表面受到污染導致扭矩效率升高及過高服役外力會加大夾緊力等均可能過載[3-4]。螺栓氫脆斷裂，尤其對于高強度電鍍和磷化處理螺栓，氫浸入鋼基體后造成材料塑性降低，使得螺栓性能急劇下降[5]。與螺栓氫脆斷裂類似，螺栓在疲勞斷裂前也沒有明顯的征兆，而且在宏觀和檢查過程中很難發現失效的原因。螺栓因螺紋部分而具有不同于標準圓柱體的特殊結構，其斷口形貌往往與理論模型相差甚遠，因此筆者對螺栓不同類型的斷口進行分析，希望能給螺栓的設計者及后期質量工作者的工作提供有意義的參考。

筆者對SCM435鋼制備的10.9級高強度螺栓進行不同斷裂類型的試驗。試驗螺栓規格為M10 mm×78 mm(P=1.25)的六角法蘭面螺栓，表面電鍍鋅。采用金屬拉伸試驗機、擰緊機和疲勞試驗機對螺栓進行不同類型的斷裂試驗，并結合宏觀和微觀斷口形貌表征，研究螺栓不同斷裂類型斷口的形成機理。

1 試驗方法與試驗設備

對于過載斷裂，依據不同加載方法分為3類：①螺栓服役過程受外力加載斷裂，模型簡化為擰緊后拉伸斷裂；②通孔擰斷，常見于螺紋表面受污染導致摩擦因數降低，目標扭矩下螺栓受到的夾緊力遠大于其承受載荷；③盲孔擰斷，常見于盲孔內有異物，導致裝配時螺紋先端受到干涉。3種狀態的螺栓因螺紋部受力不一樣可能會導致出現不同的斷口形貌。

過載試驗設備采用島津拉力試驗機和佐賀鐵工所兩方型摩擦試驗機進行，拉伸試驗方法參考ISO 6892-1：2019《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫下試驗方法》。為了模擬現場裝配后的拉伸斷裂，進行扭矩60 N·m預緊后拉伸，拉伸速度為20 mm·min-1。通孔和盲孔擰斷均在擰緊機上進行，擰緊轉速為6 r·min-1。疲勞試驗在SUM型疲勞試驗機上進行，評價低周和高周疲勞斷裂兩類。疲勞試驗的平均應力30 kN,應力幅分為5 kN和10 kN。氫脆斷裂試驗方法參考ISO 7539-7:2015《金屬與合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第7部分：慢速率應力試驗方法》,將螺栓組裝在固定夾具上，采用擰緊機實施屈服點法擰緊，然后用10%(體積分數)硫酸浸泡滲氫1 h后，進行慢應變拉斷，應變速率為10-3·s-1。

表1 不同斷裂試驗的試驗方法Tab.1 Test methods for different fracture tests

斷口宏觀觀察采用日本KEYENCE公司的VHX-2000C型和MITUTOYO公司的SV-C3200型形狀測量儀，微觀觀察采用JSM-6010LA型掃描電鏡，加速電壓為15 kV。

2 試驗結果與分析

2.1 斷口宏觀形貌分析

斷裂后的螺栓螺紋宏觀形貌如圖1所示，可見斷裂點均在螺紋部位。擰緊+拉伸斷裂螺紋和通孔擰斷螺紋均有較明顯縮頸現象，螺栓一側的伸長量約為1.1 mm和0.6 mm，擰緊+拉伸斷裂斷面呈斜坡狀。盲孔擰斷螺紋一側伸長量約為0.15 mm，縮頸現象不明顯。高周疲勞斷裂與低周疲勞斷裂螺紋基本一致,可以認為基本沒有伸長。氫脆斷裂螺紋伸長量約為0.1 mm，縮頸不明顯。

螺栓在拉伸和擰緊過程中，螺紋部位的受力有一定的差異，拉伸試驗時螺紋部位受到兩端的拉伸載荷σ1，在塑性變形階段，橫向受壓縮力σ2，截面的剪切合力如圖2a)所示，拉伸方向的切向載荷使螺栓產生較大的形變，縮頸后晶粒或缺陷沿合力τ方向擴展，所以在宏觀上形成斜向斷面，并留下剪切唇的特征。而服役中的螺栓受拉伸載荷、扭轉載荷作用，可能也會受到一定的剪切載荷形成的復合載荷作用，如圖2b)所示。此時，螺紋部位外部邊緣的扭轉載荷較內部更大，這導致螺紋外圍區域斷裂時的軸向載荷低于螺栓極限載荷，所以表現出斷裂時伸長量低于拉伸斷裂試樣，同時缺陷由邊緣向心部擴展，表現出稍微平整的斷面。尤其對于盲孔螺栓,其螺紋先端受阻，增加力矩，螺栓軸向載荷卻不再增加，即軸向伸長量也不會增加，增加的力矩全部用于螺紋部橫向轉動，此時，如果對象件的強度低于螺栓，對象件將會發生變形或破壞現象；反之，螺紋部位將會出現如圖1e)的斷裂形貌。

低周(壽命52 192次)和高周(壽命835 130次)疲勞所受的最大載荷遠低于其屈服點載荷，螺紋底部圓角R處應力集中，容易產生微裂紋形成疲勞源，在交變載荷的作用下裂紋不斷向內擴展直至瞬斷，因此螺栓基本沒有發生塑性變形。而氫脆斷裂螺栓，H+在螺栓表面局部富集，造成金屬韌性降低，在拉力的作用下發生脆性斷裂，斷裂時載荷略高于屈服載荷，因此斷口雖然較平整但也有輕微塑性變形。

2.2 斷口顯微形貌分析

拉斷、通孔擰斷及盲孔擰斷后螺栓斷口的微觀形貌如圖3所示。可知拉伸斷裂斷口呈現韌性斷裂特征，螺栓拉升時螺紋根部應力集中明顯高于心部，在螺紋根部附近進行微空洞的成核-長大-聚合[6]，逐漸形成如圖3b)裂紋源區所示的韌窩，在擴展區隱約可見條形紋路，裂紋源區和擴展區約占整個斷口的1/3。隨著應力增大，受力面積逐漸減小，導致微空洞發展為失穩階段[7]，瞬間斷裂形成剪切唇。通孔擰斷斷口表現出的微觀形貌與拉斷類似，但是斷口上有較大的空洞形成，這與擰緊速度有關，在低速擰緊的過程中，微空洞會擴展形成大的空洞，終斷區瞬斷形成毛刺狀突起，斷面整體較為平坦。盲孔擰斷斷口平整光滑，韌窩屬于有明顯的方向性剪切韌窩，瞬斷區在截面內部。

螺栓疲勞及氫脆斷裂的斷口微觀形貌如圖4所示。可知由于材料正常和內部無缺陷，所以疲勞源均發生在應力較大的螺紋根部，不同的是低周疲勞的臺階紋更為明顯且數量多，而高周疲勞的臺階紋觀察不明顯，在根部積累的損傷，經過往復載荷循環得到擴展，圖4a)顯示高周疲勞擴展區的貝殼狀紋路明顯，而低周疲勞不明顯。高周疲勞的疲勞擴展區域約占斷面的2/3，瞬斷區為塑性變形區；低周疲勞的疲勞擴展區域約占斷面的1/2，兩種斷口的瞬斷區均形成毛刺狀突起。可以看出應力幅不僅嚴重影響疲勞壽命，也對斷面的整體形狀有較大的影響。

氫脆斷口如圖4e)所示，螺栓在屈服點載荷下進行環境浸氫，氫離子不僅與鍍層發生反應，其還原成的氫也會擴散進入零件基體，根據氫致鍵合力降低機制，氫原子侵入鋼晶格間隙后導致晶界阻礙功和解理面的結合力下降[8]，使得螺栓在應力作用下，內部位錯更易移動，即宏觀表現含氫“局部軟化”，塑性下降，沿晶斷裂后出現較為平整的宏觀形貌。

3 結論

(1) 不同類型的斷口中，擰緊+拉伸斷面的縮頸和螺紋伸長最為明顯，高、低周疲勞斷口基本沒有明顯的縮頸和伸長，其余類型的斷口螺紋略有伸長。

(2) 不同類型的斷口中，擰緊+拉伸的斷口為斜面，盲孔擰斷的斷口非常平整，其余斷口均為平整與毛刺狀結合的斷口特征。

(3) 不同類型的斷口其各自特征均明顯，過載斷口微觀上僅存在韌窩，而疲勞斷口上微觀存在疲勞輝紋，氫脆斷口存在沿晶特征，斷口上有少量雞爪紋。