SWRCH22A钢自攻螺钉断裂原因分析

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(工业和信息化部电子第五研究所 可靠性研究分析中心, 广州 510610)

SWRCH22A钢自攻螺钉断裂原因分析

左新浪,谈艺干,刘子莲,蔡颖颖

(工业和信息化部电子第五研究所 可靠性研究分析中心, 广州 510610)

SWRCH22A钢自攻螺钉在装配一天后发生断裂，通过宏观检验、化学成分分析、金相检验、断口分析及氢含量测试等方法，对其断裂原因进行了分析。结果表明：螺钉的断裂性质为氢致延迟脆性断裂；螺钉经过热处理后的显微组织为回火马氏体和少量残余奥氏体，而马氏体为氢脆敏感组织，且螺钉经过电镀处理，使得其内部氢的质量分数高达0.000 49%，最终导致螺钉于应于集中的螺纹起始位置根部发生氢致延迟脆性断裂。

SWRCH22A钢； 螺钉； 氢致延迟脆性断裂； 回火马氏体; 氢含量

自攻螺钉由于其表面具有较高的硬度，因此可以在被连接件的螺纹底孔攻出内螺纹，从而形成连接。这种螺钉的特点是具有低拧入力矩和高锁紧性能，比普通螺钉具有更好的工作性能，并可代替机器螺钉使用。尽管自攻螺钉已有成熟的生产流程及工艺技术要求，但由于其生产流程较复杂，仍存在由于生产工艺控制不当导致不合格品出现的现象。

某批材料为SWRCH22A钢的自攻螺钉，加工流程为：打头→搓牙→热处理(渗碳、淬火、回火)→电镀→除氢→弱酸出光。在装配一天后少量螺钉发生断裂，为了找出断裂失效的原因，避免断裂现象的再发生，笔者对失效螺钉进行了综合理化检验分析。

1 理化检验

1.1宏观观察

对断裂失效螺钉进行宏观观察发现，螺钉的断裂位置为靠近头部垫片下方螺杆的螺纹起始位置，断口较为平整，呈现弱金属光泽的亮点，在螺钉边缘处有明显的撕裂棱，如图1所示。

图1 螺钉断口宏观形貌Fig.1 Macro morphology of fracture surface of the screw

1.2化学成分分析

按照JIS G1258-2007的要求，采用电感耦合等离子体发射光谱仪(ICP-OES)对断裂螺钉进行了化学成分分析，由于螺钉表面经渗碳处理，将表面渗碳层去除后进行分析，结果如表1所示。结果显示，断裂螺钉的化学成分符合JIS G3507-2005对该产品的规定。

表1 螺钉化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 Analysis results of chemical compositionsof the screw (mass fraction) %

1.3金相检验

由于螺钉经过淬火及回火处理，为了确认是否由热处理工艺不当导致螺钉断裂，取失效螺钉螺杆部分制成金相试样，经磨抛、4%(体积分数)硝酸酒精溶液侵蚀后，在LV150型尼康金相显微镜下进行观察。观察结果表明，螺钉的显微组织主要是由回火马氏体和少量的残余奥氏体组成，如图2所示。

图2 螺钉显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of the screw

1.4断口扫描电镜分析

图3 螺钉断口微观形貌Fig.3 Micro morphology of fracture surface of the screw:a) crack source zone; b) extension zone; c) instant rupture zone

将断裂螺钉在扫描电子显微镜下进行断口形貌观察，结果如图3所示。可见在螺钉的裂纹源区域，断面的微观形貌呈现出沿金属晶粒界面分离的冰糖状沿晶断裂形态，沿晶断口上存在二次裂纹，属于典型的脆性断裂。裂纹扩展区域的断口形貌仍然以冰糖状沿晶断裂为主，且沿晶小刻面上存在细小、发育不完整的韧窝，即“鸡爪痕”。当裂纹扩展到瞬断区时，断口上沿晶和撕裂棱上的韧窝共存。

1.5氢含量测试

根据GB/T 14265-1993《金属材料中氢、氧、氮、碳和硫分析方法通则》的要求，采用氧氮氢分析仪对断裂螺钉进行氢含量测试，结果显示螺钉中氢的质量分数为0.000 49%。

2 分析与讨论

化学成分分析结果显示，断裂螺钉的化学成分符合产品要求。金相检验结果显示，螺钉显微组织主要是由回火马氏体和少量残余奥氏体组成，说明螺钉热处理工艺正常。螺钉断口的微观分析发现，在沿晶小刻面上有“鸡爪痕”，且沿晶和撕裂棱上的韧窝共存，按照氢脆断裂失效的判据[1]，螺栓断裂属于氢脆断裂。螺钉的显微组织为回火马氏体，且在各种不同的显微组织中，对氢脆敏感性从高到低为马氏体、上贝氏体(粗大贝氏体)、下贝氏体(细贝氏体)、索氏体、珠光体、奥氏体[2-3]，因此该螺钉的显微组织为氢脆敏感组织。通常情况下，螺钉由于在使用过程中防锈及外观等原因而进行表面电镀处理，在处理过程中会受到酸性介质中氢元素的影响。氢含量测试结果表明，螺钉中氢含量较高，质量分数为0.000 49%。而对于普通高强度钢，当氢质量分数达到0.000 1%时，材料即可能发生氢致延迟断裂。由于螺钉属于应力集中严重的多缺口零件，螺钉装配后会受到预紧的拉伸应力作用，氢原子扩散至应力集中处，与位错交互作用，使位错线被钉扎，不能自由活动，使材料变脆，从而在螺杆螺纹起始位置萌生裂纹并发生脆性断裂[1,4-6]。

3 结论及建议

(1) 该螺钉断裂的原因为，电镀后除氢不彻底，导致内部氢聚集，引发氢致延迟断裂。

(2) 建议在电镀后，及时对螺钉进行除氢处理，推荐在190～210 ℃下除氢2～24 h。

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AnalysisonFractureReasonsofSWRCH22ASteelSelf-TappingScrews

ZUOXinlang,TANYigan,LIUZilian,CAIYingying

(Reliability Research and Analysis Center, The Fifth Research Institute of MIIT, Guangzhou 510610, China)

Fracture occurred to self-tapping screws of SWRCH22A steel after assembly for one day. The fracture reasons were analyzed through macrographic examination, chemical composition analysis, metallographic inspection, fracture analysis and hydrogen content testing. The results indicate that: the fracture mechanism of screws was delayed brittle fracture induced by hydrogen; the microstructure of screws after heat treatment was mainly tempered martensite and a small amount of residual austenite, and the martensite structure was sensitive to hydrogen brittle; the screws were treated by electroplating, which made the hydrogen content of screws as high as 0.000 49%, and finally caused the delayed brittle fracture of screws induced by hydrogen on the root of thread initiation position where the stress concentrated.

SWRCH22A steel; screw; delayed brittle fracture induced by hydrogen; tempered martensite; hydrogen content

10.11973/lhjy-wl201709017

2016-12-09

左新浪(1985-)，男，工程师，硕士，主要从事材料检测分析，sinazuo@163.com

TG115.2

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：1001-4012(2017)09-0687-03