压钢铆螺钉断面断口失效分析

某汽车压铆螺钉, 强度级别为9.8级，规格为M6×1.0-6g，材质为10B21，调质处理，硬度要求为27-36HRC，表面电镀锌。安装完毕后一段时间发生断裂。

螺钉位于光杆与螺纹相连的台阶处断裂，见图12-66。

（1）宏观检查

对断裂螺钉宏观检查，断裂螺钉的断口平齐，无明显宏观塑性变形，断口断面较粗糙，断口无明显腐蚀产物及冶金缺陷，见图12-67。

图12-66  断裂件外观形貌               图12-67  断裂件断口形貌

（2） 断口扫描电镜检查

螺钉断面的扫描电镜低倍形貌检查，为了便于分析，将断面分为A、B、C、D、E五个区域进行描述，见图12-68。

图12-68  断面扫描电镜低倍形貌

螺钉断面的扫描电镜微观形貌检查，A区、B区微观形貌，可见明显的“冰糖状”晶粒，晶面上存在“鸡爪痕”形貌，并伴有晶间二次裂纹，见图12-69、图12-70、图12-71所示。

C区微观形貌，可见明显的“冰糖状”晶粒，晶面上存在“鸡爪痕”形貌，并伴有晶间二次裂纹，见图12-72所示。

D区微观形貌，可见明显的准解理形貌，见图12-73所示。

E区微观形貌，可见明显的“冰糖状”晶粒，晶面上存在“鸡爪痕”形貌，并伴有晶间二次裂纹，见图12-74所示。

（3）硬度检测

对断裂螺钉进行表表面和心部硬度试验检测，检测结果（HV10）：心部硬度为413～418；表面硬度与心部硬度基本相同为415～421 。

《SAE J1199 -2001》标准的硬度要求为279～354 HV10，检测结果，表面、心部硬度均不满足对于9.8级螺钉的要求，高出标准要求136~67 HV10。

图12-69  断面A区微观形貌              图12-70  断面B区微观形貌

 图12-71  断面B区微观形貌             图12-72   断面C区微观形貌

图12-73   断面D区微观形貌             图12-74   断面E区微观形貌

（4）螺栓材质化学分析

采用直读光谱法对螺钉进行化学成分分析，分析结果，根据《SAE J403-2001》标准规定，材质符合10B21钢的要求。

（5）氢含量检测

对断裂螺钉进行氢含量检测，检测结果，氢含量 8.9ppm

断裂螺钉材质符合10B21钢要求，断裂与材质无关。

螺钉心部硬度明显高于标准规定，根据硬度-强度换算，断裂螺钉的强度已经超出9.8级的性能要求，说明螺钉热处理工艺不正常；表面硬度和心部硬度比标准要求高出很多。分析认为，螺钉热处理回火温度过低，造成螺钉硬度偏高。

螺钉经过电镀锌后除氢不好，使螺钉的氢含量大量存在。

断口电镜扫描可见大面积的“冰糖状”晶粒，晶面上存在“鸡爪痕”特征，并伴有晶间二次裂纹，是典型的氢脆断口形貌。

一般紧固件的硬度在320HV（相当于10.9级螺栓硬度）以上时，电镀后应及时驱氢，当硬度达到390 HV（相当于12.9级螺栓硬度）以上时应尽量杜绝采用酸洗、电镀等表面处理方式。该批螺钉因热处理工艺不当，其强度已超过12.9级，经电镀处理后大量渗人的氢没有除去，就存在了氢脆隐患。

对于高强度紧固件来说，强度越大，其氢脆敏感性就越高。

该批螺钉由于热处理不当造成硬度和强度过高，又因为经电镀处理渗氢后不能完全驱氢，遗留氢脆隐患，在安装应力的作用下诱发氢脆延迟断裂。

根据以上分析，可以得出如下结论与启示：

（1）螺钉的断裂性质是氢脆断裂

（2）引起螺钉氢脆的根本原因是热处理回火工艺不当造成硬度过高，电镀渗氢不能完全去除，在安装应力的作用下诱发氢致延迟断裂。

（3） 对于高强度紧固件的再回火试验，GB3098.1—2010规定为回火温度为420℃，说明了高强度紧固件的回火工艺很重要，回火温度低于420℃，就不能得到所需要的金相组织，硬度过高，存在回火脆性的危险。

（4） 高强度紧固件热处理时，严格执行产品工艺，热处理后得到所需的组织和硬度。

（5） 高强度紧固件电镀处理后，及时除氢，并按除氢工艺进行除氢。