高强度缸盖螺栓断裂失效分析及预防

针对高强度缸盖螺栓断裂失效问题，本文从人、机、料、法和环等五个方面进行了全面排查，着重分析了断裂高强度缸盖螺栓的金相组织、硬度以及宏观和微观断口形貌，并进行了螺栓实验性能检测，最终确定了失效原因，并提出氢脆的预防措施。
背景描述
某型号汽油发动机在某一时间段内突然出现多起用户反馈，反映发动机气缸垫处有漏油情况。经拆检，确定为缸盖螺栓断裂。
缸盖螺栓技术要求：规格M10×1.5mm，材料为SCM435，性能等级为12.9级，整个零件表面经过磷化处理。
原因普查
采用5M工具，从人、机、料、法和环等5个方面进行全面分析，可初步排除操作、设备、拧紧方法和环境的影响，分析重点落在断裂螺栓及螺栓性能试验上。

1.人的因素
通过调查了解到，缸盖螺栓为自动设备拧紧，操作工在拧紧设备前将10个缸盖螺栓装入对应螺栓孔即可，此处不带螺栓，操作比较简单；同时操作工为具备正式上岗资格的合格人员，可排除此项因素。
2.设备因素
（1）扳手本身精度 通过对断裂较多部位螺栓对应的拧紧轴进行能力检测，扳手能力满足CAM≥1.33和Cpk≥1.1的要求。同时，还对比了其他拧紧轴的能力值，均未发现异常。
（2）设备机械精度 观察发动机在拧紧缸盖螺栓时的定位情况，发现拧紧过程中发动机有左右摆动现象。经确认，为发动机上升到位后压紧机构的压紧块与发动机有间隙，导致发动机未完全压紧。经分析认定，该现象虽然对拧紧有一定影响，但已存在多年，与本次突然集中爆发的故障时间不符。

3.拧紧方法因素
该缸盖螺栓采用弹性极限(屈服点)拧紧法，10个螺栓分3组，从中间开始螺旋拧紧。
通过调取故障区间拧紧结果，发现在故障区间虽然存在最终监控角度偏小报警的情况比较多，但断裂螺栓对应的拧紧结果无明显规律和特点。同时，车间反应当时主要为缸盖机加线加工过程中用到其中几个报警较多的螺栓孔支撑面，主要为铝屑积存在端面对拧紧造成影响，经过增加吹气口等该问题已封闭。
对比非故障区间拧紧结果，未发现故障区间拧紧结果有明显异常。

4. 环境因素
通过对所有故障件生产日期、故障日期和用户使用地域等进行统计分析，未发现明显规律。

5. 零件因素
通过对返回故障发动机的缸体、缸盖及未断裂的缸盖螺栓进行拆检分析，均未发现异常。
（1）缸盖 检查缸盖与缸体结合面的平面度，满足小于0.05mm的要求；检查缸盖上螺栓光孔位置度、垂直度和到结合面的距离等相关尺寸，均满足产品要求；检查故障发动机的螺栓孔端面压痕，所有10个螺栓孔断面都有明显压痕，且压痕深度相当；重点检查断裂螺栓孔端面压痕，未发现杂质、破损等缺陷；同时抽查了现生产缸盖，并剖解一台缸盖检查该断面未拧紧前的表面粗糙度，满足产品不大于Ra12.5mm的要求。
（2）缸体 检查缸体与缸盖结合面的平面度，因缸体为铸铁件，使用后有锈迹的影响，平面度略有超差（在0.1mm以内）。由于缸盖螺栓螺纹全部在缸体上，所以重点对故障件所有缸盖螺栓螺纹孔的尺寸、位置度、垂直度和底孔深度等进行检查，均符合产品要求。
（3）缸盖螺栓 先检测零件外型尺寸的符合性。通过表1可以看出，螺栓主要外型尺寸检测未发现异常。

重点分析
1.断裂螺栓的宏观分析
检查断裂螺栓，且都表现在某一固定螺栓头杆结合R部断裂（见图2）。故障螺栓断口分为A区和B区 ，A区表面垂直于螺栓杆部，B区呈剪切45°角,由此宏观特性判断，断口呈一次性脆性断裂，无氧化物，无原始裂纹。
2. 断裂螺栓的内在质量分析
（1）金相组织 在故障螺栓上取样进行显微观察，发现其组织为回火马氏体 ，且无脱碳层 ，符合要求。
（2）硬度 分别检测两个故障螺栓的硬度，检测结果如表2所示，均在要求范围内。
（3）微观断口分析 用电镜对故障螺栓断口进行微观观察，断裂源区为沿晶断口（冰糖状断口），沿晶晶面上有鸡爪纹、显微空洞和二次裂纹等特征（见图6），未发现腐蚀痕迹。最后断裂区为韧窝断口 。

3. 螺栓实验性能检测
取故障发动机同批未断螺栓进行楔负载、延迟断裂试验和进行头部流线检查，均未发现异常。
（1）楔负载试验 按照图纸要求，应在倾斜6°的楔块上进行，楔块的相关尺寸见图8，楔块最小淬火硬度为45HRC。
将需要检测的螺栓穿过图8的楔块，并将螺纹部分拧入进行抗拉强度实验机器的下夹头，再以加载速度不超过30MPa/s的速度对螺栓加载，直至螺栓断裂，记录螺栓在试验中断裂时承受的最大载荷。同时观察螺栓断裂部位，要求断裂部位只能在螺杆部分，不允许从螺栓头部与杆部结合处断裂。
本次螺栓楔负载强度要求1200～1400MPa，实测1273～1283MPa，符合要求，且断裂部位在螺栓杆部。
（2）延迟断裂试验 延迟断裂试验可用以检测性能等级≥9.8的螺栓，由于回火或除气条件不符而是否产生氢脆来判断。
该检查的装置如图9所示，其中支架A的硬度应为300/360HV，螺栓和支架B接触部分的螺纹高度约为10mm（螺纹直径），（A+B）总高度应大于螺栓头以下部分的长度。对螺栓施加一个拧紧力矩以获得95%屈服强度的预紧力，在预紧力下保持48h，不应再螺栓上观察到任何开始断裂的迹象和裂纹。
本次延迟断裂试验在规定时间内未发现螺栓有断裂迹象。
（3）头部金属流线 针对绝大多数螺栓都出现在头部断裂的现象，将故障发动机同批未断螺栓沿轴线纵向剖开，通过电镜观察其头部金属流线，未见不连续的现象 。

要因分析
1.要因确认
（1）螺栓金相组织、硬度符合技术要求。
（2）故障批未断螺栓头部流线连续，反应出螺栓加工过程，尤其是冷墩过程，未对螺栓头部纤维塑性流线造成破坏。
（3）从断裂螺栓断口的微观形貌看，最后断裂区为韧性断口，断裂源区为沿晶脆性断口，沿晶晶面上有鸡爪纹、显微空洞和二次裂纹等特征，未发现腐蚀痕迹，符合氢脆的特征。
（4）从故障发生的时间看，都发生在用户使用过程中，表明在螺栓装配完后并未立即断裂，这符合延迟断裂的特征。再结合第3点氢脆的特征，可定义本次螺栓为氢致延迟断裂。
2.氢的来源
（1）螺栓原材料自身含氢（此处不作详细分析）。
（2）螺栓工作环境含氢 由于螺栓在含氢（酸性）环境中工作，从而吸收了环境中的氢，在氢与交变应力作用下萌生裂纹。通过对螺栓使用环境的分析，可排除此项原因。
（3）螺栓生产过程含氢 螺栓主要加工过程包括冷墩、热处理、表面喷丸、滚螺纹、探伤和磷化等。
其磷化过程用到了盐酸酸洗工艺，酸洗过程中螺栓可与盐酸发生反应。该反应产生的氢，部分以氢分子形式溢出，部分可能进入螺栓内部造成氢脆。
预防措施
氢脆是溶于钢中的氢聚合为氢分子，造成应力集中，超过钢的强度极限，在钢内部形成细小的裂纹。
氢脆属于缓慢应力作用下的延迟断裂，即使在低于材料屈服强度的静应力作用下，经过一段时间后，仍然会发生零件的突然失效。由于这种破坏失效常常是在零件通过正常检验合格后突然发生的，所以它是一种非常危险的机械断裂失效。
对于螺栓等紧固件避免和消除氢脆的措施主要有：
1.减少金属中渗氢的数量，尽量避免高强度紧固件的酸洗
在除锈和氧化皮时，尽量采用喷砂抛丸的方法，若洛氏硬度不小于32HRC的紧固件进行酸洗时，必须在制定酸洗工艺时确保零件在酸中浸泡的时间最长不超过10min，并应尽量降低酸液的浓度；在除油时，采用清洗剂或溶剂除油等化学除油方式，渗氢量较少，若采用电化学除油，先阴极后阳极，高强度零件不允许用阴极电解除油；在热处理时，严格控制甲醇和丙烷的滴注量；在电镀时，碱性镀液或高电流效率的镀液渗氢量较少。
2.采用低氢扩散性和低氢溶解度的镀涂层
一般认为，在电镀Cr、Zn、Cd、Ni、Sn和Pb时，渗入钢件的氢容易残留下来，而Cu、Mo、Al、Ag、Au和W等金属镀层具有低氢扩散性和低氢溶解度，渗氢较少。在满足产品技术条件要求的情况下，可采用不会造成渗氢的涂层，如机械镀锌或无铬锌铝涂层，不会发生氢脆，耐蚀性高，附着力好，且比电镀环保。
3.镀前去应力和镀后去氢，以消除氢脆隐患
若零件经淬火、焊接等工序后内部残留应力较大，镀前应进行回火处理。回火消除应力实际上可以减少零件内的陷阱数量，从而减轻发生氢脆的隐患。镀后去氢工艺方法，将镀件放在烘箱或回火炉中，在200～300℃下保温3～12h，在热力学作用下，使氢有足够长的时间从晶格中逸出。
注意事项：去氢工艺一定要及时，且要在钝化工艺前进行；在烘箱或回火炉中，零件应尽量避免堆放在一起，宜采用平放、层层铺开的方式。
4.控制镀层厚度
由于镀层覆盖在紧固件表面，镀层在一定程度上会起到氢扩散屏障的作用，这将阻碍氢向紧固件外部的扩散。当镀层厚度超过2.5mm时，氢从紧固件中扩散出去就非常困难了。因此硬度小于32HRC的紧固件，镀层厚度可以要求在12mm；硬度不小于32HRC的高强度螺栓，镀层厚度应控制在最大8mm。这就要求在产品设计时，必须考虑到高强度螺栓的氢脆风险，合理选择镀层种类和镀层厚度。
结语
高强度螺栓氢脆敏感性很大，在螺栓制造工艺过程中，应尽量避免采用会产生氢的方法。对于必须要采用又可能产生氢的过程，一定要安排及时去氢，并采用适用的检测方法，将产生氢脆的风险控制在最低的范围。