螺钉断裂原因分析.pdf

螺钉断裂原因分析 谭莹 周崎 曹标 陈明 广东出入境检验检疫局技术中心 广东广州510623 摘要 固定音箱喇叭的螺钉在运输过程中断裂 采用扫描电子显微镜 金相显微镜 ICP及硬度试验机等手段 对失效螺钉及未失效螺钉进行检测和分析比较 结果表明该批螺钉为氢致断裂 由于蝶钉的热处理工艺不当 渗破层过深 使氢过多地滞留在螺钉内部 在随后的回火中难以扩散 是引起氢脆的主要原因 螺钉镀伴后未 进行除氢处理 是导致氢致断裂的另一个原因 关键词 螺丝 氢脆断口 渗碳 电镀 Fracture Analysis of Screw TAN Ying ZHOU Qi CAO Biao CHEN Ming Technology Center Guangdong Entry Exit Inspection and Quaralltine Bureau Guangzhou 510623 China Abstrach F xing screws of loudspeaker was fractured during transpo比ll on FractureSample were analyzed by means ofSEM mi oscope ICP and hardn巳5Stester The results show Hydrogen embri忧lementwas the reason of fracture The main reason was improper heat treatment of screws It was carburized t d臼pcase and hydrogen congregating o much inside screw 50 it is difficult to diffuse in the tempered 切leother reason was hydrogen in the screws had been oot eliminated after plating Key words screw hydrogen embrittlement fracture carburization plating 某音箱厂生产出口音箱 其中国定喇叭的螺钉在且未发生断裂的螺钉进行分析比较 安装过程中未发生断裂 但在以后的运输过程中发现 断裂 该螺钉规格为M3 5X16mm的十字槽半沉头自 攻螺钉 采用SWTCH18A材料制造 生产工艺是z 冷拔一退火一冷拔一冷辙一挤牙一渗碳溥火 回火 一表面镀伴 其中热处理工艺是 920 C x55min撑碳 320 Cx80min分钟回火 该批螺丝共安装480个螺钉 断了272个 为了找出螺钉断裂原因 从i在失效批螺 钉中取断裂 未断裂的螺钉及同一工艺不同生产批次 囱1 显丝宏观形貌 Fig 1 Macroscopic appearance of the screws 90 0 见图 2箭头所指B区 整个断口呈现扭转断裂 特征 1 2 化学成分分析 取螺钉心部材料检测其化学成分 质量分数 其 结果符合JISG 3507 1991 carboo stcel wire rods for 作者简介B谭莹 J959一 女 湖南长沙人 学士 高级工 程师 主要从事金属材料检验及机械零件失效分析 联系电话 020 38290519 E maiJ yint an87 yah 检验与分析 川宏观检验 断裂螺钉太多发生在靠近头部的第一阶螺纹部 位 断面从螺绞的小将开始 沿着螺纹旋转的方向裂 开 见固1 从断口的粗糙度及扩展棱线走向等进行 观察 发现断裂源起始于螺钉断口的边缘 见图2箭 头所指Alx 最终断裂区也在断口的边缘民与源区成 阁2失放虫板也l 惭口全貌26X Fig 2 Macroscop c app rance of fracture screw cold heading and cold forging 中的SWTCH18A牌号 的化学成分标准 见表l 1 3 硬度测试 对失效螺钉的表面及中心分别进行显微硬度测 定 其中表面硬度为494日VO 3 中心硬度380HVO 3 符合GBff3098 5 2 o 紧固件机械性能自攻螺钉 中关于表面硬度三450HVQ 3和中心悦度为270 390 日Vo 3的技术要求 328 金属热处理 2 7年第32卷 地刊 表l螺钉的化学成分 质量分敛 wt Table 1 Cb四nicalcom院Isitlonor the民rew wt C Si 刷一 m nu I虫目 断袋螺丝 SWfCHI8Ans G3S07 I991 18 0 15 0 20 0 03 到 10 条位向的回火托氏体 渗磁层组织为具有马氏体方向 性的回火托氏体 见闺3b 未见异常组织 1 4 盒相检验 取失效螺钉纵截面制金相样 在光学显微镜下观 察 显撤组织见图3 其中国知为中心组织 呈现板 Mn s o 主 035 主0 02 P 0 78 血60 0 90 0 016 gJ 030 图3断裂螺钉显微组织 a 中心组织 b 海碳Ji组织 fig 3 Microstructures of the fracture s eW a 臼副町阳口回国且由re b micro 川C阳reof回tburized回回 对失效批和非失效批螺钉渗碳层深度进行检测 自攻螺钉 中的技术条件规定 特别是失效批螺钉的 结果见表2 从表2可知所有被检螺钉渗碳层深度均渗碳层的最大深度接近非失效批的一倍 超出标准要 过深 不符合GB厅3仰8 5 2则 紧固件机械性能一求三倍 表2螺丝渗碳层深度检测结果 T旨b比21日 estresult of C3I也uriz ngdep仙ofscrews 品也j精碳 昌盛小深度I 田n 海碳 JJ H 草皮I mm 失效批螺钉0 33 0 60 非失级批螺钉0 20 0 35 GB3 8 5 2 泪 m U 1 5 扫描电镜观察 1 失效螺钉断口检验 将断口在扫描电镜下观察 断裂源区位于断口 边缘渗碳层区 微观形貌为沿品 在晶面上可见鸡 爪线 微孔及二次裂纹等氢脆断裂特征 见罔句 当裂纹向内扩展到渗碳层与非渗碳层交界处 呈现 韧窝与沿晶交界的特征 见图4b 左边为未渗碳区 呈现典型韧窝花样 右边为渗碳区 则呈现典型的 沿晶断裂特征 在整个断口近表面渗碳区域均IH现 沿晶 但同样位于断口边缘渗碳层内的l醉断区 断 口形貌则显示沿晶 韧窝 二次裂纹的混合断裂形 式 断口中心为全韧寓 2 除氢处理后打断断口检验 对失效批次 但未使用的螺钉进行除氢处理 即 将螺钉加热到2 C保温8小时l11 再将螺钉扪断 在断口的边缘渗碳层区5 现少量沿晶 韧窝的 福合断 裂形貌 见图5 中心为韧窝 3 正常螺钉打断断口检验 将同一工艺不同批次未发现断裂的螺钉打断 发 现断口边缘渗碳层区为解理断裂 见图6 中心为韧 窝 整个断面未见沿晶 通过观察不同条件下形成的螺钉断口 发现失效 螺钉断口断裂源产生于断口边缘渗碳层区且呈典型 的沿晶断裂 表明该失效螺钉断裂时 在断裂源区裂 纹前沿的应力强度因子K 很低 而氢浓度CH很高 21 当裂纹扩展到渗碳层与非渗碳层交界处 呈现韧 窝与沿晶交界的特征 表明韧窝区CH突然减少 而 K 不断增加 当裂纹最后扩展到断口的边缘时 由于 进入渗碳层区 该区域氢浓度CH与源区相同 但此 时螺钉承受的应力较源区大大增加 因此该区域呈现 沿晶 韧窝 二次裂纹的混合断裂形式 由此可见 氢 脆断口微观形态没有固定特征 它与裂纹前沿的应力 强度因子K 值和氢浓度CH有关 该失效螺钉断口形 貌显示渗碳层中的氢含量较高 4金属热处理 2007年第32卷 糟刊 329 图4失续螺钉断口微观形貌 SEM a 斯裂祖重区形貌 渗碳层ltl生最后貌 Fig 4 Microstru ture offra ture screw SEM a crack orig n I田 t on b carburiud ca c 罔5除氢断口 Fig 5 Fracturc of eliminated hydrogeo 对丁除氢处理后再打断的断口呈现少量的沿晶 韧窝 可以认为该断口在除氢前己受到轻微的氢侵 蚀 虽然螺钉经过除氢处理 但氢对螺钉已经造成的 损伤是不可逆的 而正常的螺钉断口 由于断裂时 KI远远离于CH值 所以断口呈现准解理断裂Plo 1 6 去氢幢验方法f1J 用烧杯盛取适量的液体石蜡 置烧杯子铁架台石 棉网上 点燃酒精灯加热石脯 用温度计测量石蜡 使温度保持在1 190 C 在此 温度停留5u n以去除 其所含水分 然后将失效批螺钉放入石蜡中 石蜡将 螺n全部浸设 大约lOs左右 螺钉出现气泡 表 明蝶 钉中滞国大量氢 当将失效批螺钉除氢处理后放 入石蜡中 没有出现气泡 表明螺钉除氢效果好 该 方法检测结果与断口分析一致 1 7 讨论 综合上述试验 螺钉在安装过程中未发生裂纹 而在以后的运输过程中发生断裂 表明螺钉具有延迟 开裂特征 失效螺钉内部含育大量的氢气且断口呈现 氢脆形貌 因此 可以判定该失效螺钉为氢致断裂 试验发现失效螺钉内渗碳层中的氢浓度较高 而渗碳 层过深是产生这一现象的主要原因之一 因为螺钉截 面小 当渗碳层过深 渗碳过程中产生大量的氢聚集 在螺钉内部 在回火时螺钉中的过饱和氢难以扩散 原因之二是螺钉在随后的镀铸工艺中 要经过酸洗和 图6正常断口 Fig 6 Well baJanced什ac re 电镀 在这过程中又吸附大量的氧 镀铸结束后 又 未进行除氢处理 导致较多的氢滞留在螺钉内部 螺钉渗股后形成高碳浮火回火组织 其氢脆敏感 性较大i31 将螺钉安装在音箱上时 螺钉承受着低应 力的作用 经过一段孕育期 在钢中裂纹前沿溶解的 氢浓度达到临界值时 氢和应力的共同作用产生裂纹 并不断向内扩展 当裂纹长度达到临界值时 裂纹失 稳扩展 螺钉发生突然断裂 正常批螺钉的海碳层较失效批渗碳层深度洗得 多 使得螺定内部的氢含量相对要小得多 在随后的 电镀过程中也未使氢过多地吸附在螺钉表面 所以未 造成氧侵蚀 通过氢含量的检测 发现含氢浓度高的螺钉经过 除氢处理后能得到缓解 但对己造成的侵蚀是不可以 修复的 2 结论 螺订渗碳层过深 使氢过多地滞留在螺钉内 是 引起氢脆的主要原因 该蝶钉镀僻后未进行除氢处 理 是导致氢脆的另一个原因 3 建议措施与效果 改进现有的渗碳工艺 严格控制海碾层深度 并 在镀悴工艺