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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度減小質(zhì)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(fā)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(xiàn)斷裂輕則結(jié)構(gòu)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。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加大夾緊力等均可能過載。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。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準圓柱體的特殊結(jié)構(gòu)，其斷口形貌往往與理論模型相差甚遠，因此筆者對螺栓不同類型的斷口分析，希望能給螺栓的設(shè)計者及后期質(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級高強度螺栓進行不同斷裂類型的試驗。試驗螺栓規(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(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理。

1、試驗方法與試驗設(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(nèi)有異物，導(dǎo)致裝配時螺紋先端受到干涉。3種狀態(tài)的螺栓因螺紋部受力不一樣可能會導(dǎo)致出現(xiàn)不同的斷口形貌。

過載試驗設(shè)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(xiàn)場裝配后的拉伸斷裂，進行扭矩 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上進 行,擰緊轉(zhuǎn)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(yīng)力30kN,應(yīng)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(yīng)力腐蝕試驗 第7部分:慢速率應(yīng)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(shù)) 硫酸浸泡滲氫1h后,進行慢應(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，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(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。

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(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，螺栓拉升時螺紋根部應(yīng)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，裂紋源區(qū)所示的韌窩，在擴展區(qū)隱約可見條形紋路，裂紋源區(qū)和擴展區(qū)約占整個斷口的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，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，微空洞會擴展形成大的空洞，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。

螺栓在屈服點載荷下進行環(huán)境浸氫，氫離子不僅與鍍層發(fā)生反應(yīng)，其還原成的氫也會擴散進入零件基體，根據(jù)氫致鍵合力降低機制，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，使得螺栓在應(yīng)力作用下，內(nèi)部位錯更易移動，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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