發電機用緊固件螺釘斷裂分析

王婷，軒喜瑜，成智會

陜西航空電氣有限責任公司 陜西興平 713100

1 序言

緊固件是將兩個或兩個以上零件通過一定過盈配合形式聯接或緊固在一起的一類機械零件，具有增加摩擦、防止松動等作用[1]。隨著汽車、電子、軍工、航空航天等行業的高速發展，緊固件的需求急劇增加，由于其使用領域廣泛，它的質量安全問題直接關系到產品交付、產品質量和人身安全[2-5]。

氫脆是影響高強度緊固件質量的重要因素之一，常表現為延時斷裂，其危害性極大，是一個不容忽視的重要問題，已引起整個緊固件行業及用戶的廣泛關注。截止目前，國內多位學者對緊固件的斷裂問題進行研究報道，孫小炎等[6-11]對緊固件的氫脆斷裂進行研究，發現氫脆斷裂現象與熱處理、電鍍、酸洗等有直接關系。總之，影響緊固件氫脆的因素很多，包括氫含量、工藝因素、材料組織狀態、材料強度、應力因素等。

我公司某發電機轉子裝配緊固件螺釘在工作過程中發現斷裂，該螺釘規格為M5×20ZnD，是發電機上聯接主發轉子引出線和保護電阻引出線的一個零件，使電機正常發電，確保飛機正常工作。因此，本論文主要通過對斷裂螺釘進行宏觀分析、電鏡能譜分析、化學成分分析、硬度檢測、金相檢驗、氫含量檢測等，以確定螺釘斷裂性質，并查找其失效的直接原因，從而為此類零件失效故障的研究和預防提供借鑒。

2 試驗過程與結果

2.1 宏觀觀察

螺釘的具體斷裂位置如圖1所示，斷裂位置在靠近螺釘頭部的第一螺牙根部。

圖1 螺釘斷裂位置

將螺釘頭部斷口放置于Leica MZ75體視顯微鏡下進行觀察，斷口較平齊，呈亮灰色可見結晶顆粒，斷口有人字紋花樣，收斂于斷口左側，斷口邊緣無明顯的宏觀塑性變形痕跡，未觀察到明顯冶金缺陷，形貌如圖2所示。

圖2 螺釘斷口宏觀形貌

2.2 微觀檢查

將螺釘頭部斷口置于無水乙醇溶液中進行超聲波清洗，置于VEGA Ⅱ LMH掃描電鏡下觀察，斷口可見放射棱線，收斂方向為裂紋萌生區，形貌如圖3所示。放大觀察，微觀形貌大部分區域呈冰糖塊狀沿晶斷裂特征，晶面存在大量的雞爪痕狀撕裂棱，輪廓鮮明，斷口上可見二次裂紋，形貌如圖4、圖5所示。斷口較粗糙處為最后斷裂區呈等軸韌窩特征，可見螺釘開裂后受到的垂直應力逐漸增大，微觀斷裂特征逐漸轉變為準解理，最后為韌窩形貌，如圖6所示。

圖3 電鏡下螺釘斷口形貌

圖4 沿晶冰糖塊狀形貌

圖5 晶面雞爪痕狀形貌

圖6 瞬斷區等軸韌窩形貌

對斷口沿晶特征部分進行能譜分析，其基體成分除Fe、C、S外，未檢測到其他元素，符合45A材料標準的要求。

2.3 化學成分分析

用直讀光譜儀對斷裂件基體進行化學成分檢測，其結果見表1。該螺釘的主要化學成分C、S、P，其質量分數分別為0.42%、0.002%、0.017%，符合GJB 1951—1994標準45A要求。

表1 螺釘化學成分（質量分數）檢測結果（%）

2.4 硬度檢測

從斷裂螺釘中制取硬度試樣，用MH-5顯微硬度計檢測硬度，結果見表2。洛氏硬度HRC按照GB/T 1172—1999換算的抗拉強度平均值1452MPa，不符合設計資料要求，且材料實際強度比資料要求高很多，材料脆性傾向增大，這與熱處理工藝不當有直接關系。建議調節材料硬度，使其滿足設計資料要求。

表2 螺釘硬度檢測結果

2.5 金相分析

從斷裂螺釘上制取金相試樣，未腐蝕置于Leica DMR金相顯微鏡下觀察，基體非金屬夾雜物級別符合要求，未見其他冶金缺陷。將該試樣用4%硝酸酒精浸蝕后進行觀察，其組織為回火索氏體且均勻一致，未見脫碳現象，形貌如圖7所示。

圖7 基體金相組織

2.6 氫含量檢測

將斷裂螺釘進行氫含量檢測，零件中的氫含量約為7ppm（1ppm=10-6），遠高于材料中規定值，可見氫含量較高對氫脆斷裂更加敏感。該批零件進行鍍鋅鈍化工藝后進行除氫處理，除氫不完全或不及時都可能讓基體內部的氫原子無法擴散處理，聚集在基體應力集中部位，受到較大載荷時發生斷裂。

2.7 拉斷力試驗

從庫存任取3件同批次螺釘，用CMT 5205微機控制電子萬能試驗機進行拉力試驗，結果見表3。該螺釘的抗拉強度值均高于設計要求800～1000MPa，不符合設計要求。

表3 庫存螺釘拉力檢測結果（MPa）

3 分析與討論

由以上檢測結果可知，螺釘斷口未見冶金缺陷、化學成分符合要求，可排除因材料缺陷導致的斷裂。通過微觀觀察可知，斷口較干凈且無腐蝕產物，呈沿晶斷裂特征。其晶面干凈，晶粒輪廓清晰，沒有附著物，部分晶面可見大量雞爪形的撕裂棱。

為了確保螺釘在交變沖擊和振動的工作環境下能承受較大的拉力和剪力，不僅需較高強度，還需高的耐沖擊性能。由硬度檢測結果可知，硬度換算的抗拉強度值遠高于設計要求。零件雖符合高強度的要求，但材料的臨界應力變低，孕育期越短，在多次交變、沖擊等載荷下，其脆性斷裂傾向增大。該零件同批次的強度值與失效件相當，均遠高于設計要求，而該材料的強度較高與熱處理工藝有關，建議調整該螺釘的熱處理工藝，使其強度略高于標準要求，保持材料的塑性，降低脆性斷裂的敏感性。

由該零件工藝可知，失效螺釘進行鍍鋅鈍化處理，測量失效件的氫含量較大，可能在酸性溶液中時間過長或溫度過高，零件就會大量吸收氫原子，鍍鋅工序后沒有及時除氫或除氫不充分，原子狀態的氫就會滲入到鍍層底部，經過一段時間后氫擴散到金屬內部，特別是聚集在金屬內部缺陷或應力集中部位，在零件中很難擴散出來，當局部氫含量達到一定程度后使基體脆化，最終發生氫脆斷裂。該氫原子的存在使材料對氫敏感性增加，建議在鍍鋅工藝之后，對零件及時除氫或延長除氫時間，減少氫脆斷裂的可能性。

4 結束語

1）螺釘斷裂為氫脆斷裂。

2）螺釘強度偏高，不符合設計資料要求，使材料基體脆性斷裂傾向增大。建議調整熱處理制度，使螺釘強度符合技術要求，降低材料的脆性斷裂敏感性。

3）螺釘基體氫含量較大，氫主要來源于表面處理中鍍鋅鈍化后除氫不及時或不徹底，建議及時除去零件中的氫原子或延長除氫時間。