某高强度螺栓不同类型断口分析

肖友强, 高安科, 陈炜锋

(上海特强汽车紧固件有限公司, 上海 201419)

汽车零部件的失效分析一直是汽车质量的重要研究课题之一，用于汽车上的螺栓在提高强度减小质量的同时，其安全性和可靠性愈加受到重视。近年来，汽车用螺栓失效案例时有发生，其中最严重的失效模式是断裂。螺栓作为连接副的重要受力载体，出现断裂轻则结构失效，重则造成严重安全事故。

在螺栓断裂模式中，常见有过载、氢脆和疲劳断裂3种，其中疲劳断裂最为常见[1-2]。螺栓过载断裂是指螺栓服役载荷超过螺栓能承受的最大载荷而发生断裂现象，过载的原因多样，螺栓表面受到污染导致扭矩效率升高及过高服役外力会加大夹紧力等均可能过载[3-4]。螺栓氢脆断裂，尤其对于高强度电镀和磷化处理螺栓，氢浸入钢基体后造成材料塑性降低，使得螺栓性能急剧下降[5]。与螺栓氢脆断裂类似，螺栓在疲劳断裂前也没有明显的征兆，而且在宏观和检查过程中很难发现失效的原因。螺栓因螺纹部分而具有不同于标准圆柱体的特殊结构，其断口形貌往往与理论模型相差甚远，因此笔者对螺栓不同类型的断口进行分析，希望能给螺栓的设计者及后期质量工作者的工作提供有意义的参考。

笔者对SCM435钢制备的10.9级高强度螺栓进行不同断裂类型的试验。试验螺栓规格为M10 mm×78 mm(P=1.25)的六角法兰面螺栓，表面电镀锌。采用金属拉伸试验机、拧紧机和疲劳试验机对螺栓进行不同类型的断裂试验，并结合宏观和微观断口形貌表征，研究螺栓不同断裂类型断口的形成机理。

1 试验方法与试验设备

对于过载断裂，依据不同加载方法分为3类：①螺栓服役过程受外力加载断裂，模型简化为拧紧后拉伸断裂；②通孔拧断，常见于螺纹表面受污染导致摩擦因数降低，目标扭矩下螺栓受到的夹紧力远大于其承受载荷；③盲孔拧断，常见于盲孔内有异物，导致装配时螺纹先端受到干涉。3种状态的螺栓因螺纹部受力不一样可能会导致出现不同的断口形貌。

过载试验设备采用岛津拉力试验机和佐贺铁工所两方型摩擦试验机进行，拉伸试验方法参考ISO 6892-1：2019《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温下试验方法》。为了模拟现场装配后的拉伸断裂，进行扭矩60 N·m预紧后拉伸，拉伸速度为20 mm·min-1。通孔和盲孔拧断均在拧紧机上进行，拧紧转速为6 r·min-1。疲劳试验在SUM型疲劳试验机上进行，评价低周和高周疲劳断裂两类。疲劳试验的平均应力30 kN,应力幅分为5 kN和10 kN。氢脆断裂试验方法参考ISO 7539-7:2015《金属与合金的腐蚀 应力腐蚀试验 第7部分：慢速率应力试验方法》,将螺栓组装在固定夹具上，采用拧紧机实施屈服点法拧紧，然后用10%(体积分数)硫酸浸泡渗氢1 h后，进行慢应变拉断，应变速率为10-3·s-1。

表1 不同断裂试验的试验方法Tab.1 Test methods for different fracture tests

断口宏观观察采用日本KEYENCE公司的VHX-2000C型和MITUTOYO公司的SV-C3200型形状测量仪，微观观察采用JSM-6010LA型扫描电镜，加速电压为15 kV。

2 试验结果与分析

2.1 断口宏观形貌分析

断裂后的螺栓螺纹宏观形貌如图1所示，可见断裂点均在螺纹部位。拧紧+拉伸断裂螺纹和通孔拧断螺纹均有较明显缩颈现象，螺栓一侧的伸长量约为1.1 mm和0.6 mm，拧紧+拉伸断裂断面呈斜坡状。盲孔拧断螺纹一侧伸长量约为0.15 mm，缩颈现象不明显。高周疲劳断裂与低周疲劳断裂螺纹基本一致,可以认为基本没有伸长。氢脆断裂螺纹伸长量约为0.1 mm，缩颈不明显。

螺栓在拉伸和拧紧过程中，螺纹部位的受力有一定的差异，拉伸试验时螺纹部位受到两端的拉伸载荷σ1，在塑性变形阶段，横向受压缩力σ2，截面的剪切合力如图2a)所示，拉伸方向的切向载荷使螺栓产生较大的形变，缩颈后晶粒或缺陷沿合力τ方向扩展，所以在宏观上形成斜向断面，并留下剪切唇的特征。而服役中的螺栓受拉伸载荷、扭转载荷作用，可能也会受到一定的剪切载荷形成的复合载荷作用，如图2b)所示。此时，螺纹部位外部边缘的扭转载荷较内部更大，这导致螺纹外围区域断裂时的轴向载荷低于螺栓极限载荷，所以表现出断裂时伸长量低于拉伸断裂试样，同时缺陷由边缘向心部扩展，表现出稍微平整的断面。尤其对于盲孔螺栓,其螺纹先端受阻，增加力矩，螺栓轴向载荷却不再增加，即轴向伸长量也不会增加，增加的力矩全部用于螺纹部横向转动，此时，如果对象件的强度低于螺栓，对象件将会发生变形或破坏现象；反之，螺纹部位将会出现如图1e)的断裂形貌。

低周(寿命52 192次)和高周(寿命835 130次)疲劳所受的最大载荷远低于其屈服点载荷，螺纹底部圆角R处应力集中，容易产生微裂纹形成疲劳源，在交变载荷的作用下裂纹不断向内扩展直至瞬断，因此螺栓基本没有发生塑性变形。而氢脆断裂螺栓，H+在螺栓表面局部富集，造成金属韧性降低，在拉力的作用下发生脆性断裂，断裂时载荷略高于屈服载荷，因此断口虽然较平整但也有轻微塑性变形。

2.2 断口显微形貌分析

拉断、通孔拧断及盲孔拧断后螺栓断口的微观形貌如图3所示。可知拉伸断裂断口呈现韧性断裂特征，螺栓拉升时螺纹根部应力集中明显高于心部，在螺纹根部附近进行微空洞的成核-长大-聚合[6]，逐渐形成如图3b)裂纹源区所示的韧窝，在扩展区隐约可见条形纹路，裂纹源区和扩展区约占整个断口的1/3。随着应力增大，受力面积逐渐减小，导致微空洞发展为失稳阶段[7]，瞬间断裂形成剪切唇。通孔拧断断口表现出的微观形貌与拉断类似，但是断口上有较大的空洞形成，这与拧紧速度有关，在低速拧紧的过程中，微空洞会扩展形成大的空洞，终断区瞬断形成毛刺状突起，断面整体较为平坦。盲孔拧断断口平整光滑，韧窝属于有明显的方向性剪切韧窝，瞬断区在截面内部。

螺栓疲劳及氢脆断裂的断口微观形貌如图4所示。可知由于材料正常和内部无缺陷，所以疲劳源均发生在应力较大的螺纹根部，不同的是低周疲劳的台阶纹更为明显且数量多，而高周疲劳的台阶纹观察不明显，在根部积累的损伤，经过往复载荷循环得到扩展，图4a)显示高周疲劳扩展区的贝壳状纹路明显，而低周疲劳不明显。高周疲劳的疲劳扩展区域约占断面的2/3，瞬断区为塑性变形区；低周疲劳的疲劳扩展区域约占断面的1/2，两种断口的瞬断区均形成毛刺状突起。可以看出应力幅不仅严重影响疲劳寿命，也对断面的整体形状有较大的影响。

氢脆断口如图4e)所示，螺栓在屈服点载荷下进行环境浸氢，氢离子不仅与镀层发生反应，其还原成的氢也会扩散进入零件基体，根据氢致键合力降低机制，氢原子侵入钢晶格间隙后导致晶界阻碍功和解理面的结合力下降[8]，使得螺栓在应力作用下，内部位错更易移动，即宏观表现含氢“局部软化”，塑性下降，沿晶断裂后出现较为平整的宏观形貌。

3 结论

(1) 不同类型的断口中，拧紧+拉伸断面的缩颈和螺纹伸长最为明显，高、低周疲劳断口基本没有明显的缩颈和伸长，其余类型的断口螺纹略有伸长。

(2) 不同类型的断口中，拧紧+拉伸的断口为斜面，盲孔拧断的断口非常平整，其余断口均为平整与毛刺状结合的断口特征。

(3) 不同类型的断口其各自特征均明显，过载断口微观上仅存在韧窝，而疲劳断口上微观存在疲劳辉纹，氢脆断口存在沿晶特征，断口上有少量鸡爪纹。