摘 要:對SCM435鋼制備的10.9級(jí)螺栓進(jìn)行不同的加載,使其發(fā)生過載、疲勞和氫脆斷裂,結(jié) 合斷裂的宏觀和微觀形貌,研究螺栓不同斷裂類型斷口的形成機(jī)理。結(jié)果表明:各斷面均出現(xiàn)在螺 紋部位,且微觀特征明顯,過載斷口均表現(xiàn)為韌窩特征,其中盲孔擰斷斷口的韌窩為剪切韌窩;疲勞 斷口疲勞輝紋鮮明,高、低周疲勞斷口的疲勞區(qū)面積占整個(gè)斷面的2/3和1/2;氫脆斷口晶粒清晰, 沿晶斷裂特征顯著。不同類型的斷口中,擰緊+拉伸斷口縮頸和螺紋伸長最為明顯,高、低周疲勞 斷口基本沒有縮頸和伸長,其余類型的螺紋斷口略有伸長。

關(guān)鍵詞:高強(qiáng)度螺栓;過載斷口;疲勞斷口;氫脆斷口

中圖分類號(hào):U213.5 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):1001-4012(2021)12-0055-05

汽車零部件的失效分析一直是汽車質(zhì)量的重要 研究課題之一,用于汽車上的螺栓在提高強(qiáng)度減小質(zhì) 量的同時(shí),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(shí)有發(fā)生,其中最嚴(yán)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(xiàn)斷裂輕則結(jié)構(gòu)失效,重則造成嚴(yán)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(fā) 生斷裂現(xiàn)象,過載的原因多樣,螺栓表面受到污染導(dǎo) 致扭矩效率升高及過高服役外力會(huì)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(qiáng)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(fā)現(xiàn)失效的原因。螺栓因螺紋 部分而具有不同于標(biāo)準(zhǔn)圓柱體的特殊結(jié)構(gòu),其斷口 形貌往往與理論模型相差甚遠(yuǎn),因此筆者對螺栓不 同類型的斷口進(jìn)行分析,希望能給螺栓的設(shè)計(jì)者及后期質(zhì)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(jí)高強(qiáng)度螺栓 進(jìn)行 不 同 斷 裂 類 型 的 試 驗(yàn)。試 驗(yàn) 螺 栓 規(guī) 格 為 M10mm×78mm(P=1.25)的六角法蘭面螺栓, 表面電鍍鋅。采用金屬拉伸試驗(yàn)機(jī)、擰緊機(jī)和疲勞 試驗(yàn)機(jī)對螺栓進(jìn)行不同類型的斷裂試驗(yàn),并結(jié)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(jī)理。

1 試驗(yàn)方法與試驗(yàn)設(shè)備

對于過載斷裂,依據(jù)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(dǎo)致摩 擦因數(shù)降低,目標(biāo)扭矩下螺栓受到的夾緊力遠(yuǎn)大于其 承受載荷;③盲孔擰斷,常見于盲孔內(nèi)有異物,導(dǎo)致裝 配時(shí)螺紋先端受到干涉。3種狀態(tài)的螺栓因螺紋部 受力不一樣可能會(huì)導(dǎo)致出現(xiàn)不同的斷口形貌。

過載試驗(yàn)設(shè)備采用島津拉力試驗(yàn)機(jī)和佐賀鐵工 所兩方型摩擦試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行,拉伸試驗(yàn)方法參考ISO 6892-1:2019《金屬材料 拉伸試驗(yàn) 第1部分:室溫下 試驗(yàn)方法》。為了模擬現(xiàn)場裝配后的拉伸斷裂,進(jìn)行 扭 矩 60 N·m 預(yù) 緊 后 拉 伸,拉 伸 速 度 為 20mm·min-1。通孔和盲孔擰斷均在擰緊機(jī)上進(jìn) 行,擰緊轉(zhuǎn)速為6r·min-1。疲勞試驗(yàn)在SUM 型疲 勞試驗(yàn)機(jī)上進(jìn)行,評(píng)價(jià)低周和高周疲勞斷裂兩類。 疲勞試驗(yàn)的平均應(yīng)力30kN,應(yīng)力幅分為5kN 和 10kN。氫脆斷裂試驗(yàn)方法參考ISO7539-7:2015 《金屬與合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分:慢速率應(yīng)力試驗(yàn)方法》,將螺栓組裝在固定夾具上,采用 擰緊機(jī)實(shí)施屈服點(diǎn)法擰緊,然后用10%(體積分?jǐn)?shù)) 硫酸浸泡滲氫1h后,進(jìn)行慢應(yīng)變拉斷,應(yīng)變速率 為10-3·s-1。

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15kV。

2 試驗(yàn)結(jié)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(diǎn)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(xiàn)象,螺栓一側(cè)的伸長量 約為1.1mm和0.6mm,擰緊+拉伸斷裂斷面呈斜 坡狀。盲孔擰斷螺紋一側(cè)伸長量約為0.15mm,縮 頸現(xiàn)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(rèn)為基本沒有伸長。氫脆斷裂螺紋 伸長量約為0.1mm,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(yàn)時(shí)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(chǎn)生較大的形變,縮頸后晶粒或缺陷沿合力τ方 向擴(kuò)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(zhuǎn)載荷作 用,可能也會(huì)受到一定的剪切載荷形成的復(fù)合載荷作 用,如圖2b)所示。此時(shí),螺紋部位外部邊緣的扭轉(zhuǎn) 載荷較內(nèi)部更大,這導(dǎo)致螺紋外圍區(qū)域斷裂時(shí)的軸向 載荷低于螺栓極限載荷,所以表現(xiàn)出斷裂時(shí)伸長量低 于拉伸斷裂試樣,同時(shí)缺陷由邊緣向心部擴(kuò)展,表現(xiàn) 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(huì)增加,增加的力矩全部用于螺紋部橫向轉(zhuǎn) 動(dòng),此時(shí),如果對象件的強(qiáng)度低于螺栓,對象件將會(huì)發(fā) 生變形或破壞現(xiàn)象;反之,螺紋部位將會(huì)出現(xiàn)如圖1e) 的斷裂形貌。

低周(壽命52192次)和高周(壽命835130次) 疲勞所受的最大載荷遠(yuǎn)低于其屈服點(diǎn)載荷,螺紋底部 圓角R 處應(yīng)力集中,容易產(chǎn)生微裂紋形成疲勞源,在 交變載荷的作用下裂紋不斷向內(nèi)擴(kuò)展直至瞬斷,因此 螺栓基本沒有發(fā)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(fā)生脆性斷裂,斷裂時(shí)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(xiàn) 韌 性斷裂特征,螺栓拉升時(shí)螺紋根部應(yīng)力集中明顯高于 心部,在螺紋根部附近進(jìn)行微空洞的成核-長大-聚 合[6],逐漸形成如圖3b)裂紋源區(qū)所示的韌窩,在擴(kuò) 展區(qū)隱約可見條形紋路,裂紋源區(qū)和擴(kuò)展區(qū)約占整 個(gè)斷口的1/3。隨著應(yīng)力增大,受力面積逐漸減小, 導(dǎo)致微空洞發(fā)展為失穩(wěn)階段[7],瞬間斷裂形成剪切 唇。通孔擰斷斷口表現(xiàn)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(guān), 在低速擰緊的過程中,微空洞會(huì)擴(kuò)展形成大的空洞, 終斷區(qū)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(qū)在截面內(nèi)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(nèi)部無缺陷,所以疲勞 源均發(fā)生在應(yīng)力較大的螺紋根部,不同的是低周 疲勞的臺(tái)階紋更為明顯且數(shù)量多,而高周疲勞的 臺(tái)階紋觀察不明顯,在根部積累的損傷,經(jīng)過往復(fù) 載荷循環(huán)得到擴(kuò)展,圖4a)顯示高周疲勞擴(kuò)展區(qū)的 貝殼狀紋路明顯,而低周疲勞不明顯。高周疲勞 的疲勞擴(kuò)展區(qū)域約占斷面的2/3,瞬斷區(qū)為塑性變 形區(qū);低周疲勞的疲勞擴(kuò)展區(qū)域約占斷面的1/2, 兩種斷口的瞬斷區(qū)均形成毛刺狀突起。可以看出 應(yīng)力幅不僅嚴(yán)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(diǎn)載荷下 進(jìn)行環(huán)境浸氫,氫離子不僅與鍍層發(fā)生反應(yīng),其還原 成的氫也會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入零件基體,根據(jù)氫致鍵合力降 低機(jī)制,氫原子侵入鋼晶格間隙后導(dǎo)致晶界阻礙功 和解理面的結(jié)合力下降[8],使得螺栓在應(yīng)力作用下, 內(nèi)部位錯(cuò)更易移動(dòng),即宏觀表現(xiàn)含氫“局部軟化”,塑性下降,沿晶斷裂后出現(xiàn)較為平整的宏觀形貌。

3 結(jié)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(jié)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。

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<文章來源>材料與測試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊>57卷>12期(pp:55-59)>