緊固件鎖緊螺母斷裂例子分析及解決措施

1、緊固件鎖緊螺母制造工藝及斷裂圖

緊固件鎖緊螺母在進(jìn)行制造工藝過(guò)程中,常見(jiàn)的失效形式就是斷裂,一般情況下,緊固件鎖緊螺母制造工藝為:材料改制-冷鐓-車(chē)頭部、倒角、打中心孔-鉆螺紋底孔-去毛刺-攻螺紋-去磷、熱處理-磨螺紋坯徑-滾螺紋-(酸洗)氧化處理-探傷、退磁-(酸洗)氧化處理-涂膠、檢驗(yàn)、包裝入庫(kù)。下面圖1為斷裂件、模擬斷裂件和完好件;圖2為斷裂件斷口的宏觀(guān)形貌。

圖1斷裂件和模擬斷裂件

圖2斷裂件斷口的宏觀(guān)形貌圖

2、緊固件鎖緊螺母斷裂問(wèn)題分析

引起緊固件鎖緊螺母斷裂的原因,可能來(lái)源于材料、組織方面,也可能是本身強(qiáng)度等方面。為此,根據(jù)其工藝,結(jié)合材料方面的知識(shí),采用放大鏡、顯微鏡金相和硬度等方面的分析。

(1)斷口分析

借助低倍放大鏡和高位顯示鏡觀(guān)察斷口的宏觀(guān)和微觀(guān)形貌,并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和利用金屬材料和微觀(guān)形貌,并結(jié)合工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)和利用金屬材料知識(shí)來(lái)進(jìn)行斷口分析。

圖1所示為斷裂件斷口宏觀(guān)形貌,1#件斷口較為平整,無(wú)明顯塑性變形痕跡,斷口外側(cè)邊緣剪切唇為新鮮斷口,呈淺灰色(如圖短箭頭所示),其余區(qū)域基本已氧化發(fā)黑(如圖長(zhǎng)箭頭所示);2#斷裂件的宏觀(guān)形貌,與1#斷裂件類(lèi)似,斷口無(wú)明顯塑性變形痕跡,外圈邊緣為剪切唇,呈淺灰色,為新鮮斷口(如圖1短箭頭所示),其余區(qū)域表面基本已氧化發(fā)黑(如圖1長(zhǎng)箭頭所示)。

通過(guò)觀(guān)察1#件斷口黑色區(qū)域的微觀(guān)形貌2,可見(jiàn)斷面存在明顯的氧化腐蝕,但仍可見(jiàn)冰糖狀結(jié)晶形貌,且晶間有二次裂紋。由于斷面存在氧化腐蝕現(xiàn)象3,無(wú)法確定品面是否存在雞爪形發(fā)紋;斷口外側(cè)邊緣的微觀(guān)形貌4,為韌窩形貌,該區(qū)域?yàn)榻K斷區(qū)。

通過(guò)觀(guān)察2#件斷口黑色區(qū)域除邊緣剪切唇外斷口微觀(guān)形貌,可見(jiàn)冰糖狀沿晶斷口,晶間有二次裂紋;斷口外側(cè)邊緣的微觀(guān)形貌,為等軸韌窩形貌。

(2)金相分析

借助金相分析儀觀(guān)察送檢完好件和1#斷裂件的芯部和斷口附近金相組織,并結(jié)合熱處理知識(shí)進(jìn)行對(duì)比分析5%。

通過(guò)分析觀(guān)察都為均勻的回火索氏體,無(wú)異常。如圖3所示。

圖3完好件和1#斷裂件芯部金相組織

(3)硬度分析

對(duì)完好件和斷裂件進(jìn)行硬度試驗(yàn),結(jié)果如表1所示,斷裂件表面硬度偏高,不滿(mǎn)足12.9級(jí)緊固件的硬度要求。

(4)化學(xué)成分分析

失效零件為裝配時(shí)斷裂,斷面呈明顯黑色和新鮮斷口兩個(gè)區(qū)域(如圖2.圖4、圖5所示),黑色區(qū)域表面氧化嚴(yán)重,新鮮斷口表面無(wú)氧化,這說(shuō)明兩個(gè)區(qū)域并非在同一時(shí)間產(chǎn)生。斷口黑色區(qū)域呈沿品斷裂形貌,并伴有晶間二次裂紋,具有氫脆斷裂特征17。斷面外側(cè)邊緣的新鮮斷口區(qū)域?yàn)轫g窩形貌。沿晶斷口表面已基本被氧化腐蝕,僅邊緣終斷區(qū)無(wú)大量明顯的氧化腐蝕產(chǎn)物,說(shuō)明送檢零件在后期表面氧化處理前已存在裂紋。送檢零件金相組織和化學(xué)成分均無(wú)異常。

圖41#斷口微觀(guān)形貌

圖52#斷口微觀(guān)形貌

采用直讀光譜法對(duì)完好件和斷裂件進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表2所示。根據(jù)“JISG4053-2008”,其化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)中對(duì)SCM435鋼的要求。

抽取使用過(guò)的完好件和斷裂件各1件進(jìn)行氫含量檢測(cè),結(jié)果如表3所示,可見(jiàn)送檢試驗(yàn)氫含量較高。而氫含量過(guò)高,易導(dǎo)致氫脆現(xiàn)象,為此,為了進(jìn)一步確認(rèn)氫脆的影響,抽取使用過(guò)的完好件和斷裂件各10件再次進(jìn)行氫含量檢測(cè),結(jié)果如表4所示,

氫脆是由于氫滲入金屬內(nèi)部而產(chǎn)生的損傷,導(dǎo)致零件在低于材料屈服極限的靜應(yīng)力作用下斷裂,無(wú)征兆、具有突發(fā)性。零件內(nèi)部的氫來(lái)源途徑通常包括:原材料、熱處理、表面處理(如酸洗,電鍍)環(huán)境腐蝕等幾個(gè)環(huán)節(jié)。零件的氫脆敏感性不盡相同,含氫量越高,強(qiáng)度、硬度及所受張應(yīng)力越大,則氫脆敏感性越高。

該零件熱處理后再滾螺紋,其頭部存在較深的內(nèi)六角孔且桿部還攻有螺紋孔,這種結(jié)構(gòu)容易在滾壓外螺紋時(shí)在內(nèi)六角底部產(chǎn)生較大的內(nèi)應(yīng)力;零件在滾壓外螺紋后,在表面氧化處理過(guò)程中又采用酸

洗的方式去油、除銹,從而導(dǎo)致氫滲人零件(根據(jù)氫含量檢測(cè),螺母氫含量高達(dá)6~7ppm),同時(shí)斷裂件硬度較高,氫脆敏感性大。于是,零件在氫及內(nèi)應(yīng)力共同作用下首先在應(yīng)力集中的內(nèi)六角底部產(chǎn)生氫致裂紋,并在后續(xù)的氧化發(fā)黑過(guò)程中裂紋表面被腐蝕氧化。氫致裂紋的產(chǎn)生不僅引起嚴(yán)重的應(yīng)力集中,而且使零件承力面積減小,導(dǎo)致零件在裝配應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂,而裝配時(shí)斷裂的斷面即為新鮮斷面,其表面為韌窩形貌且無(wú)氧化腐蝕。

(5)解決措施

送檢零件斷裂原因是存在原始裂紋,原始裂紋為氫致裂紋,氫來(lái)源于氧化發(fā)黑前的酸洗。建議采取以下措施:

采用堿性電解去油、除銹,若不能避免酸洗,則應(yīng)滾壓外螺紋后采取去應(yīng)力處理,并在表面處理后四小時(shí)內(nèi)進(jìn)行驅(qū)氫處理。

該批零件氫含量硬度較高,存在較高的氫脆風(fēng)險(xiǎn),不排除已裝配的零件后續(xù)發(fā)生氫致開(kāi)裂的可能,如果在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂會(huì)對(duì)系統(tǒng)運(yùn)行造成較大安全隱患,所以建議全部召回并更換新工藝零件。