高強(qiáng)度缸蓋螺栓斷裂失效分析及預(yù)防

針對(duì)高強(qiáng)度缸蓋螺栓斷裂失效問題，本文從人、機(jī)、料、法和環(huán)等五個(gè)方面進(jìn)行了全面排查，著重分析了斷裂高強(qiáng)度缸蓋螺栓的金相組織、硬度以及宏觀和微觀斷口形貌，并進(jìn)行了螺栓實(shí)驗(yàn)性能檢測(cè)，最終確定了失效原因，并提出氫脆的預(yù)防措施。
背景描述
某型號(hào)汽油發(fā)動(dòng)機(jī)在某一時(shí)間段內(nèi)突然出現(xiàn)多起用戶反饋，反映發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸墊處有漏油情況。經(jīng)拆檢，確定為缸蓋螺栓斷裂。
缸蓋螺栓技術(shù)要求：規(guī)格M10×1.5mm，材料為SCM435，性能等級(jí)為12.9級(jí)，整個(gè)零件表面經(jīng)過磷化處理。
原因普查
采用5M工具，從人、機(jī)、料、法和環(huán)等5個(gè)方面進(jìn)行全面分析，可初步排除操作、設(shè)備、擰緊方法和環(huán)境的影響，分析重點(diǎn)落在斷裂螺栓及螺栓性能試驗(yàn)上。

1.人的因素
通過調(diào)查了解到，缸蓋螺栓為自動(dòng)設(shè)備擰緊，操作工在擰緊設(shè)備前將10個(gè)缸蓋螺栓裝入對(duì)應(yīng)螺栓孔即可，此處不帶螺栓，操作比較簡單；同時(shí)操作工為具備正式上崗資格的合格人員，可排除此項(xiàng)因素。
2.設(shè)備因素
（1）扳手本身精度 通過對(duì)斷裂較多部位螺栓對(duì)應(yīng)的擰緊軸進(jìn)行能力檢測(cè)，扳手能力滿足CAM≥1.33和Cpk≥1.1的要求。同時(shí)，還對(duì)比了其他擰緊軸的能力值，均未發(fā)現(xiàn)異常。
（2）設(shè)備機(jī)械精度 觀察發(fā)動(dòng)機(jī)在擰緊缸蓋螺栓時(shí)的定位情況，發(fā)現(xiàn)擰緊過程中發(fā)動(dòng)機(jī)有左右擺動(dòng)現(xiàn)象。經(jīng)確認(rèn)，為發(fā)動(dòng)機(jī)上升到位后壓緊機(jī)構(gòu)的壓緊塊與發(fā)動(dòng)機(jī)有間隙，導(dǎo)致發(fā)動(dòng)機(jī)未完全壓緊。經(jīng)分析認(rèn)定，該現(xiàn)象雖然對(duì)擰緊有一定影響，但已存在多年，與本次突然集中爆發(fā)的故障時(shí)間不符。

3.擰緊方法因素
該缸蓋螺栓采用彈性極限(屈服點(diǎn))擰緊法，10個(gè)螺栓分3組，從中間開始螺旋擰緊。
通過調(diào)取故障區(qū)間擰緊結(jié)果，發(fā)現(xiàn)在故障區(qū)間雖然存在最終監(jiān)控角度偏小報(bào)警的情況比較多，但斷裂螺栓對(duì)應(yīng)的擰緊結(jié)果無明顯規(guī)律和特點(diǎn)。同時(shí)，車間反應(yīng)當(dāng)時(shí)主要為缸蓋機(jī)加線加工過程中用到其中幾個(gè)報(bào)警較多的螺栓孔支撐面，主要為鋁屑積存在端面對(duì)擰緊造成影響，經(jīng)過增加吹氣口等該問題已封閉。
對(duì)比非故障區(qū)間擰緊結(jié)果，未發(fā)現(xiàn)故障區(qū)間擰緊結(jié)果有明顯異常。

4. 環(huán)境因素
通過對(duì)所有故障件生產(chǎn)日期、故障日期和用戶使用地域等進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，未發(fā)現(xiàn)明顯規(guī)律。

5. 零件因素
通過對(duì)返回故障發(fā)動(dòng)機(jī)的缸體、缸蓋及未斷裂的缸蓋螺栓進(jìn)行拆檢分析，均未發(fā)現(xiàn)異常。
（1）缸蓋 檢查缸蓋與缸體結(jié)合面的平面度，滿足小于0.05mm的要求；檢查缸蓋上螺栓光孔位置度、垂直度和到結(jié)合面的距離等相關(guān)尺寸，均滿足產(chǎn)品要求；檢查故障發(fā)動(dòng)機(jī)的螺栓孔端面壓痕，所有10個(gè)螺栓孔斷面都有明顯壓痕，且壓痕深度相當(dāng)；重點(diǎn)檢查斷裂螺栓孔端面壓痕，未發(fā)現(xiàn)雜質(zhì)、破損等缺陷；同時(shí)抽查了現(xiàn)生產(chǎn)缸蓋，并剖解一臺(tái)缸蓋檢查該斷面未擰緊前的表面粗糙度，滿足產(chǎn)品不大于Ra12.5mm的要求。
（2）缸體 檢查缸體與缸蓋結(jié)合面的平面度，因缸體為鑄鐵件，使用后有銹跡的影響，平面度略有超差（在0.1mm以內(nèi)）。由于缸蓋螺栓螺紋全部在缸體上，所以重點(diǎn)對(duì)故障件所有缸蓋螺栓螺紋孔的尺寸、位置度、垂直度和底孔深度等進(jìn)行檢查，均符合產(chǎn)品要求。
（3）缸蓋螺栓 先檢測(cè)零件外型尺寸的符合性。通過表1可以看出，螺栓主要外型尺寸檢測(cè)未發(fā)現(xiàn)異常。

重點(diǎn)分析
1.斷裂螺栓的宏觀分析
檢查斷裂螺栓，且都表現(xiàn)在某一固定螺栓頭桿結(jié)合R部斷裂（見圖2）。故障螺栓斷口分為A區(qū)和B區(qū) ，A區(qū)表面垂直于螺栓桿部，B區(qū)呈剪切45°角,由此宏觀特性判斷，斷口呈一次性脆性斷裂，無氧化物，無原始裂紋。
2. 斷裂螺栓的內(nèi)在質(zhì)量分析
（1）金相組織 在故障螺栓上取樣進(jìn)行顯微觀察，發(fā)現(xiàn)其組織為回火馬氏體 ，且無脫碳層 ，符合要求。
（2）硬度 分別檢測(cè)兩個(gè)故障螺栓的硬度，檢測(cè)結(jié)果如表2所示，均在要求范圍內(nèi)。
（3）微觀斷口分析 用電鏡對(duì)故障螺栓斷口進(jìn)行微觀觀察，斷裂源區(qū)為沿晶斷口（冰糖狀斷口），沿晶晶面上有雞爪紋、顯微空洞和二次裂紋等特征（見圖6），未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡。最后斷裂區(qū)為韌窩斷口 。

3. 螺栓實(shí)驗(yàn)性能檢測(cè)
取故障發(fā)動(dòng)機(jī)同批未斷螺栓進(jìn)行楔負(fù)載、延遲斷裂試驗(yàn)和進(jìn)行頭部流線檢查，均未發(fā)現(xiàn)異常。
（1）楔負(fù)載試驗(yàn) 按照?qǐng)D紙要求，應(yīng)在傾斜6°的楔塊上進(jìn)行，楔塊的相關(guān)尺寸見圖8，楔塊最小淬火硬度為45HRC。
將需要檢測(cè)的螺栓穿過圖8的楔塊，并將螺紋部分?jǐn)Q入進(jìn)行抗拉強(qiáng)度實(shí)驗(yàn)機(jī)器的下夾頭，再以加載速度不超過30MPa/s的速度對(duì)螺栓加載，直至螺栓斷裂，記錄螺栓在試驗(yàn)中斷裂時(shí)承受的最大載荷。同時(shí)觀察螺栓斷裂部位，要求斷裂部位只能在螺桿部分，不允許從螺栓頭部與桿部結(jié)合處斷裂。
本次螺栓楔負(fù)載強(qiáng)度要求1200～1400MPa，實(shí)測(cè)1273～1283MPa，符合要求，且斷裂部位在螺栓桿部。
（2）延遲斷裂試驗(yàn) 延遲斷裂試驗(yàn)可用以檢測(cè)性能等級(jí)≥9.8的螺栓，由于回火或除氣條件不符而是否產(chǎn)生氫脆來判斷。
該檢查的裝置如圖9所示，其中支架A的硬度應(yīng)為300/360HV，螺栓和支架B接觸部分的螺紋高度約為10mm（螺紋直徑），（A+B）總高度應(yīng)大于螺栓頭以下部分的長度。對(duì)螺栓施加一個(gè)擰緊力矩以獲得95%屈服強(qiáng)度的預(yù)緊力，在預(yù)緊力下保持48h，不應(yīng)再螺栓上觀察到任何開始斷裂的跡象和裂紋。
本次延遲斷裂試驗(yàn)在規(guī)定時(shí)間內(nèi)未發(fā)現(xiàn)螺栓有斷裂跡象。
（3）頭部金屬流線 針對(duì)絕大多數(shù)螺栓都出現(xiàn)在頭部斷裂的現(xiàn)象，將故障發(fā)動(dòng)機(jī)同批未斷螺栓沿軸線縱向剖開，通過電鏡觀察其頭部金屬流線，未見不連續(xù)的現(xiàn)象 。

要因分析
1.要因確認(rèn)
（1）螺栓金相組織、硬度符合技術(shù)要求。
（2）故障批未斷螺栓頭部流線連續(xù)，反應(yīng)出螺栓加工過程，尤其是冷墩過程，未對(duì)螺栓頭部纖維塑性流線造成破壞。
（3）從斷裂螺栓斷口的微觀形貌看，最后斷裂區(qū)為韌性斷口，斷裂源區(qū)為沿晶脆性斷口，沿晶晶面上有雞爪紋、顯微空洞和二次裂紋等特征，未發(fā)現(xiàn)腐蝕痕跡，符合氫脆的特征。
（4）從故障發(fā)生的時(shí)間看，都發(fā)生在用戶使用過程中，表明在螺栓裝配完后并未立即斷裂，這符合延遲斷裂的特征。再結(jié)合第3點(diǎn)氫脆的特征，可定義本次螺栓為氫致延遲斷裂。
2.氫的來源
（1）螺栓原材料自身含氫（此處不作詳細(xì)分析）。
（2）螺栓工作環(huán)境含氫 由于螺栓在含氫（酸性）環(huán)境中工作，從而吸收了環(huán)境中的氫，在氫與交變應(yīng)力作用下萌生裂紋。通過對(duì)螺栓使用環(huán)境的分析，可排除此項(xiàng)原因。
（3）螺栓生產(chǎn)過程含氫 螺栓主要加工過程包括冷墩、熱處理、表面噴丸、滾螺紋、探傷和磷化等。
其磷化過程用到了鹽酸酸洗工藝，酸洗過程中螺栓可與鹽酸發(fā)生反應(yīng)。該反應(yīng)產(chǎn)生的氫，部分以氫分子形式溢出，部分可能進(jìn)入螺栓內(nèi)部造成氫脆。
預(yù)防措施
氫脆是溶于鋼中的氫聚合為氫分子，造成應(yīng)力集中，超過鋼的強(qiáng)度極限，在鋼內(nèi)部形成細(xì)小的裂紋。
氫脆屬于緩慢應(yīng)力作用下的延遲斷裂，即使在低于材料屈服強(qiáng)度的靜應(yīng)力作用下，經(jīng)過一段時(shí)間后，仍然會(huì)發(fā)生零件的突然失效。由于這種破壞失效常常是在零件通過正常檢驗(yàn)合格后突然發(fā)生的，所以它是一種非常危險(xiǎn)的機(jī)械斷裂失效。
對(duì)于螺栓等緊固件避免和消除氫脆的措施主要有：
1.減少金屬中滲氫的數(shù)量，盡量避免高強(qiáng)度緊固件的酸洗
在除銹和氧化皮時(shí)，盡量采用噴砂拋丸的方法，若洛氏硬度不小于32HRC的緊固件進(jìn)行酸洗時(shí)，必須在制定酸洗工藝時(shí)確保零件在酸中浸泡的時(shí)間最長不超過10min，并應(yīng)盡量降低酸液的濃度；在除油時(shí)，采用清洗劑或溶劑除油等化學(xué)除油方式，滲氫量較少，若采用電化學(xué)除油，先陰極后陽極，高強(qiáng)度零件不允許用陰極電解除油；在熱處理時(shí)，嚴(yán)格控制甲醇和丙烷的滴注量；在電鍍時(shí)，堿性鍍液或高電流效率的鍍液滲氫量較少。
2.采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層
一般認(rèn)為，在電鍍Cr、Zn、Cd、Ni、Sn和Pb時(shí)，滲入鋼件的氫容易殘留下來，而Cu、Mo、Al、Ag、Au和W等金屬鍍層具有低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度，滲氫較少。在滿足產(chǎn)品技術(shù)條件要求的情況下，可采用不會(huì)造成滲氫的涂層，如機(jī)械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層，不會(huì)發(fā)生氫脆，耐蝕性高，附著力好，且比電鍍環(huán)保。
3.鍍前去應(yīng)力和鍍后去氫，以消除氫脆隱患
若零件經(jīng)淬火、焊接等工序后內(nèi)部殘留應(yīng)力較大，鍍前應(yīng)進(jìn)行回火處理?；鼗鹣龖?yīng)力實(shí)際上可以減少零件內(nèi)的陷阱數(shù)量，從而減輕發(fā)生氫脆的隱患。鍍后去氫工藝方法，將鍍件放在烘箱或回火爐中，在200～300℃下保溫3～12h，在熱力學(xué)作用下，使氫有足夠長的時(shí)間從晶格中逸出。
注意事項(xiàng)：去氫工藝一定要及時(shí)，且要在鈍化工藝前進(jìn)行；在烘箱或回火爐中，零件應(yīng)盡量避免堆放在一起，宜采用平放、層層鋪開的方式。
4.控制鍍層厚度
由于鍍層覆蓋在緊固件表面，鍍層在一定程度上會(huì)起到氫擴(kuò)散屏障的作用，這將阻礙氫向緊固件外部的擴(kuò)散。當(dāng)鍍層厚度超過2.5mm時(shí)，氫從緊固件中擴(kuò)散出去就非常困難了。因此硬度小于32HRC的緊固件，鍍層厚度可以要求在12mm；硬度不小于32HRC的高強(qiáng)度螺栓，鍍層厚度應(yīng)控制在最大8mm。這就要求在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，必須考慮到高強(qiáng)度螺栓的氫脆風(fēng)險(xiǎn)，合理選擇鍍層種類和鍍層厚度。
結(jié)語
高強(qiáng)度螺栓氫脆敏感性很大，在螺栓制造工藝過程中，應(yīng)盡量避免采用會(huì)產(chǎn)生氫的方法。對(duì)于必須要采用又可能產(chǎn)生氫的過程，一定要安排及時(shí)去氫，并采用適用的檢測(cè)方法，將產(chǎn)生氫脆的風(fēng)險(xiǎn)控制在最低的范圍。