汽车发动机舱盖锁扣固定螺钉断裂失效分析和预防措施

范奇达 张文波 应佳舟

关键词：氢脆;折叠;轴向载荷;延迟断裂;摩擦系数;装配扭矩

0引言

某车型在大气环境、无腐蚀性介质情况下，装配完成一段时间后，发现发动机舱盖打不开。检查发现，用于固定发动机舱盖锁扣支架的自攻螺钉存在断裂现象（图1）。通过对所有装配完成的车辆发动机舱盖进行排查，螺钉断裂失效比例较低。为分析螺钉断裂原因，对已失效的断裂件和完好件进行分析。

自攻螺钉规格为ST4.2×1.41×16，材质为SWRCH22A，装配扭矩为2.5±0.5N·m，其制造工艺为冷镦——搓丝——热处理——表面处理（电镀锌镍）——驱氢（205℃保温8h）。检查发现，失效螺钉断裂均发生于螺纹部位。

1试验分析

1.1断口分析

螺钉的断裂形式相似，未断裂在头部与杆部交界处。随机选取其中一枚螺钉进行断口分析。观察失效螺钉的断口低倍形貌（图2），断面粗糙，无明显颈缩，且未发现有明显的腐蚀产物和冶金缺陷。断口有放射线花样，边缘处仅有特征不明显的剪切唇。为便于描述，将断口分为A1、B1和C1三个区域进一步描述。

观察失效螺钉断口的微观形貌（图3），A1区可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，并伴随晶间二次裂纹，晶面可见明显的“鸡爪纹”。B1区微观形貌可见明显的“冰糖状”沿晶形貌，并伴随晶间二次裂纹，晶面可见明显的“鸡爪纹”，同时可见明显的准解理形貌。C1区微观形貌可见明显的韧窝形貌。

1.2化学成份分析

按照GB/T4336-2016《碳素钢和中低合金钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》的检测要求，采用光谱仪（型号MAXx09-A）对失效螺钉的头部进行化学成分分析，头部经过加工取表面渗碳层。结果显示，失效螺钉的化学成分符合Q/BQB517-2019《冷镦钢盘条企业标准》中对SWRCH22A钢的要求（表1）。

1.3金相检测

垂直断口截取失效螺钉杆部纵截面进行金相观察，可见起裂区存在明显的折叠裂纹（图4）。检测失效螺钉断口相邻螺纹金相组织，经测量，螺纹部位渗碳层深度为0.22mm，符合技术要求（0.10～0.23mm）。检测失效螺钉断口相邻螺纹牙底金相组织，可见明显的以牙底折叠为起源的沿晶裂纹（图5）。

检测失效螺钉芯部显微组织（图6a），为均匀的回火马氏体[1]，无异常。观察螺钉的非金属夹杂物形态[2]，根据GB/T10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》规定，判定为D类球状氧化物（细系）1级，无异常（图7b）。

1.4硬度检测

对失效螺钉进行表芯硬度试验，结果表芯硬度均符合GB/T3098.5-2016《紧固件机械性能自攻螺钉》的相关要求。同时按照硬度梯度仲裁实验法，在金相试件的螺纹轮廓上用试验力300g的显微维氏硬度进行检验，其渗碳层深度为0.23mm，满足符合技术要求（0.10～0.23mm）。

1.5氢脆试验

根据GB/T3098.17-2000《紧固件机械性能检查氢脆用预载荷试验平行支承面法》规定，选取实测最小破坏扭矩（5.17N·m）的0.9倍（4.65N·m）作为氢脆试验拧紧扭矩。保持48h后将组合件进行拆卸，并对螺钉进行观察，螺纹部位未发现裂纹（图7），氢脆试验结果符合標准要求。

1.6装配扭矩确认

自攻螺钉的拧紧扭矩如太高，会导致螺钉断裂或打滑;拧紧扭矩如太低，会导致零件无法夹紧甚至无法贴合，因此合适的拧紧扭矩至关重要。为此，参考车型的资料得如下建议公式：

MA=MS+k×（MO-MS）（1）

式中MA——工艺扭矩

MS——贴合扭矩

MO——破坏扭矩

k——0.3～0.5

由式（1）可知，首先要保证工艺扭矩大于贴合扭矩;工艺扭矩在贴合扭矩的基础上，再加上破坏扭矩与贴合扭矩差值的0.3～0.5倍。同时，为保证不被过拧，最大的工艺扭矩不建议超过破坏扭矩的0.6倍。再根据式（1）计算出的参考工艺扭矩，确定最终的实际拧紧工艺扭矩（图8）。

该自攻螺钉拧紧过程中，用完整从拧入至失效的曲线来确定工艺扭矩的合理性。通过对同批次完好螺钉的模拟装配验证其平均贴合扭矩MS为0.30N·m，平均破坏扭矩MO为5.10N·m。那么根据式（1），当k为0.3时，计算出的MA为1.44N·m;当k为0.5时，计算出的MA为2.70N·m。

由于最大的工艺扭矩不建议超过破坏扭矩的0.6倍，则最大工艺扭矩：MAmax=0.6×MO=0.6×5.10=3.06N·m查看资料得知，目前该自攻螺钉装配工艺要求的拧紧扭矩为2.50±0.50N·m，因此符合装配工艺要求，不会造成自攻螺钉因拧紧扭矩过大造成失效断裂。

2结果与讨论

综上所述，失效螺钉的化学成分、表芯硬度、渗碳层深度、氢脆试验、显微组织、非金属夹杂物以及装配扭矩工艺等指标均未发现异常。

断口微观形貌具有典型氢致延迟断裂（氢脆）特征，且在本案例中，螺钉经历电镀工艺，致使氢进入其中，虽然后续有驱氢工序，但仍有部分氢残留。失效螺钉表面经渗碳处理，表面硬度达到550HV（通常零件硬度大于320HV时就有氢脆倾向），因此螺钉本身具有一定的氢脆敏感性。失效螺钉断口附近螺纹牙底存在明显的、以折叠裂纹起源并向内扩展的沿晶裂纹，螺钉承受外力作用时，折叠裂纹尖端存在明显的应力集中，更易发生氢脆。

螺钉发生延迟断裂另一因素还要取决于外界载荷的大小。一般零件安装后，其轴向载荷低于材料屈服极限，轴向载荷越大，对于渗碳的零件发生延迟断裂的概率也就越大。渗碳自攻螺钉多用于联接比较薄的金属板，由于自攻螺钉螺纹表面硬度较高（≥45HRC），所以在联接时，将自攻螺钉拧入事先被制出螺纹底孔的连接件，这样可以在联接件的螺纹底孔中攻出内螺纹从而完成连接。一般自攻螺钉在攻入过程中大部分消耗了螺纹摩擦力[4]，最终承载的轴向载荷相对较小，故对具有渗碳的高应力自攻螺钉降低了延迟断裂的风险。

本案例中的被联接件已事先攻出相应配合的内螺纹锁扣，无需再通过自攻钉较高的表面硬度自攻成型螺纹而进行联接。而且螺钉表面经过“锌镍合金+黑色钝化+表面封闭润滑”处理，摩擦系数相对较小，因此在规范的拧紧扭矩作用下，最终零件产生的轴向载荷较大[5]，产生延迟断裂的风险就较大。

3预防措施

（1）确保螺纹牙底不产生折叠，并满足GB/T5779.3《紧固件表面缺陷螺栓、螺钉和螺柱特殊要求》的要求。

（2）螺钉的摩擦系数尽可能往上公差进行控制，保证该螺钉承受较小的轴向载荷。

（3）有效控制螺钉装配的拧紧速度，防止扭矩过冲，同时因拧紧受热后降低了摩擦系数。

（4）在满足GB/T3098.5-2016规定自攻螺钉性能的同时，控制该螺钉的渗碳层深度和表面硬度，并将渗碳层深度和表面硬度控制在下限，预防延迟断裂。同时该螺钉在热处理过程中，尽可能提高回火温度和一定的回火时间，来消除产品组织的内应力，确保产品组织的韧性和延展性。

（5）严格把控螺钉在电镀过程中的驱氢控制，同时电镀前除锈和氧化皮时，应采用喷砂或喷丸等处理方法达到净化、活化表面的目的。

4结束语

延迟断裂在某种程度上是不可预测的，当紧固件制造商指定这样一种产品时，必须清楚地认识到它风险的存在，这些风险可能来自于制造因素，也可能来自于装配因素，或者说制造与装配不匹配。所以对于紧固件制造商来说，在开发之前一定要掌握螺钉所涉及到的所有信息，通过分析来确定螺钉的制造工艺和质量控制，这样才能避免质量事故的发生。E252CE8C-1804-4876-88BA-9A8218C9F1C1