摘 要:對SCM435鋼制備的10.9級螺栓進行不同的加載,使其發生過載、疲勞和氫脆斷裂,結 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理。結果表明:各斷面均出現在螺 紋部位,且微觀特征明顯,過載斷口均表現為韌窩特征,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面積占整個斷面的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。
關鍵詞:高強度螺栓;過載斷口;疲勞斷口;氫脆斷口
中圖分類號:U213.5 文獻標志碼:A 文章編號:1001-4012(2021)12-0055-05
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 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 20mm·min-1。通孔和盲孔擰斷均在擰緊機上進 行,擰緊轉速為6r·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30kN,應力幅分為5kN 和 10kN。氫脆斷裂試驗方法參考ISO7539-7:2015 《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1h后,進行慢應變拉斷,應變速率 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1.1mm和0.6mm,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0.15mm,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0.1mm,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52192次)和高周(壽命835130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?？芍捎诓牧险：蛢炔繜o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?？梢钥闯?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。
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