紧固件的典型失效形式分析

作者:王慧1 刘海波1 朱先华2 祁永东1 王安友1 胡杰3 赖建明3 ( 1. 浙江国检检测技术股份有限来源:《上海金属》2020年11月网址:http://www.scv-lock.com/

摘要:紧固件是应用最广泛的基础零件之一,其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。根据1 203 个紧固件失效案例的统计分析结果,对紧固件失效的形式和原因进行了分类。重点论述了常见的紧固件因过载、氢脆、疲劳、应力腐蚀等原因而失效的形式,并列举了典型的螺栓断裂案例,包括成分偏析导致的断裂,装配时过烧导致的断裂,氢脆或腐蚀疲劳导致的断裂等。


    紧固件被称为“工业之米”,是应用最广泛的基础零件之一。紧固件是传递载荷的重要连接节点,其可靠性与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关。随着我国制造业水平的提高和对产品可靠性的愈发重视,对紧固件失效的关注度也越来越高。失效分析是提高产品可靠性的重要途径,有助于改进设计、预防

事故再次发生。对紧固件的失效机制及其预防措施的研究,不仅是紧固件制造、使用单位面临的重要问题,也是紧固件检测试验机构的工作重点[1]。

    紧固件主要通过螺栓、螺杆、螺钉等的外螺纹和螺母、盲孔等的内螺纹将被连接部件紧固并传递载荷,通常处于静止状态,较少发生磨损失效,最常见的失效形式是断裂[2]。由于内螺纹的设计承载性能通常高于相应等级的外螺纹,实际上外螺纹失效的产品居多。本文主要论述外螺纹紧固件的失效形式。

1 紧固件失效形式统计

    对近年来检测的1 203 个紧固件失效案例进行了统计分析,有关数据如表1 所示。可以发现,疲劳和氢脆是紧固件最常见的失效形式,两者的总数超过八成。另外,不同的应用领域,紧固件的失效形式也不同。如在汽车行业,由于普遍采用高强度紧固件和电镀工艺,因此氢脆失效较为常见; 而在风电领域,目前普遍采用不高于10. 9 级的紧固件和达克罗工艺,氢脆发生的概率相对较低,而疲劳断裂较为普遍。


2 过载

    紧固件的过载失效是指外力超过其承载极限而发生的失效,主要包括韧性过载断裂、脆性过载断裂和“脱扣”等。紧固件的受力主要有装配预紧力和工作载荷,承受弯曲和剪切载荷的情况较少,满足设计要求的预紧力可保证螺栓在使用中承受较小的载荷,避免其承受弯曲、剪切载荷,并可有效降低疲劳载荷。对于高强度紧固件,通常预紧力都比较大,可达到螺栓理论保证载荷的70%以上,因此螺栓的过载失效通常在装配阶段就会发生,少部分在服役过程中过载断裂也往往是由于其他结构的损坏而导致的。引起过载失效的原因主要有: ( 1) 螺纹尺寸不配、脱碳或旋合长度不足造成螺纹脱扣; ( 2) 材料强度不足、内部缺陷或裂纹等原因造成螺栓承载力不足而发生断裂; ( 3) 由于装配工艺不合理,预紧力超过螺栓的正常承载能力而断裂。

    图1 为装配过程中发生断裂失效的某10. 9级风电塔筒螺栓,断口附近无明显塑性变形,断裂特征与韧性过载的差异较大,裂纹源于螺栓心部,呈放射状向外侧扩展。检测分析发现,螺栓材料有明显的带状偏析、显微疏松和裂纹,这些缺陷导致螺栓承载能力不足而断裂,采用42CrMo、B7、40CrNiMo 钢制造的M36 以上大规格螺栓较易发生。该类缺陷主要是钢材在凝固过程中形成的成分偏析及疏松缺陷引起的,偏析严重不但会引起异常断裂,还会增大螺栓的淬火开裂倾向,影响低温冲击性能和断面收缩率[3]。这类成分偏析属于微观偏析,与GB /T 6478—2015《冷镦和冷挤压用钢》中的低倍偏析不同,由于缺乏相应的检测方法和判定依据,钢厂和紧固件制造企业鲜有将此类缺陷纳入验收检查项目。但随着大规格风电螺栓用量的增大,此类缺陷造成的失效案例也越来越多。近年出版的GB /T 34474. 1—2017《钢中带状组织的评定第1 部分: 标准评级图法》和GB /T34474. 2—2018《钢中带状组织的评定第2 部分:定量法》对此类缺陷有更明确的定义和检测方法,有助于加强原材料的质量控制。


    动车组M30 以上大规格螺栓普遍采用人工控制的感应加热和热锻工艺进行生产,劳动强度大且易过热甚至过烧,使螺栓发生过载断裂。图2 为装配时头部断裂的某动车组用螺栓的断口形貌和显微组织。图2 表明: 断口有沿晶断裂

特征,晶粒圆钝,并有大量显微孔洞,为典型的过烧特征; 经饱和苦味酸溶液腐蚀后可见双重晶界,即除了正常的原奥氏体晶界,还出现过烧形成的黑色粗大晶界。因此采用红外测温和自动控制是热锻螺栓质量控制的发展趋势[4]。


    在某些情况下,需对高强度螺栓施加接近或达到其屈服强度的装配预紧力,装配工艺不合理也可能导致过载断裂。螺栓的预紧力与装配扭矩之间的关系如式( 1) 所示。

F = T /( K·d) ( 1)

式中: F 为预紧力,T 为装配扭矩,K 为扭矩系数,d 为螺纹公称直径。由于扭矩系数K 具有离散性且受环境影响而产生波动,装配时难以将预紧力精确控制在其屈服点附近,若K 值偏小,就可能造成预紧力超过螺栓的最大承载力而断裂。某柴油发动机缸盖螺栓在采用扭矩法控制装配时发生断裂,分析发现,该批螺栓力学性能符合要求,但由于扭矩系数离散性较大,部分螺栓在装配时发生过拧断裂。通过分析模拟装配曲线发现,在拧紧螺栓到屈服点至断裂的过程中,扭矩波动较小,难以通过设置扭矩阀值来控制装配,如图3 所示。因此,当所需的预紧力接近或达到螺栓屈服点时,采用扭矩控制法装配是不合理的,宜采用扭矩加角度控制的装配方法[5]。


3 氢脆

    氢脆是材料( 零件) 在低于抗拉强度的张应力下,经过一段孕育期后突然断裂失效,具有典型的延迟断裂特征,通常是在紧固件装配预紧后的几十分钟到几个月的时间内突然发生的,断裂前没有任何征兆,危害性较大。氢脆的发生主要与材料的硬度、含氢量及受到的张应力等因素有关。材料的硬度越高、基体含氢量越大、张应力越大,氢脆越容易发生[6]。因此,发生氢脆的通常为10. 9 级( 硬度320 HV 以上) 及以上级别或经过渗碳处理的紧固件。

    是否具有延迟断裂特征是判断紧固件氢脆断裂的重要依据。氢脆断口的宏观特征为近表面有明显的点状裂纹,如图4( a) 所示,微观上呈“冰糖状”沿晶断裂形貌,且晶粒表面有鸡爪状撕裂棱和晶间二次裂纹,这也是区分氢脆与回火脆性断口的重要特征,见图4( b) 。如果符合延迟断裂和断口特征两个判据,基本上可以断定是氢脆断裂,氢含量的检测可作为辅助手段。值得指出的是,分析氢脆失效案例时不能陷入误区,即认为氢脆一定是氢含量过高引起的。实质上氢脆是多种因素共同作用的结果,很多具有明显氢脆断裂特征的高强度紧固件,其氢含量并不高,有些甚至在氢含量低于1 × 10 - 6 的情况下也发生延迟断裂。一方面,材料的强度越高,对氢越敏感,较低氢含量也可诱发氢脆; 另一方面,目前普遍采用的热熔测氢法是测定1 g左右材料的平均氢含量,而实际上氢在材料中的分布是不均匀的,氢会在应力集中、位错和空位等微观缺陷密度较高的部位富集,这意味着在裂纹孕育和萌生的过程中,裂纹尖端局部氢含量比实际检测的要高很多。另外,氢在常温下也能扩散,会在张应力大的区域富集,导致材料( 尤其是晶粒间) 的累计损伤,进而引发延迟断裂[7-8]。


    根据诱发氢脆的因素,可从选材和制作等方面采取措施防止其发生。采用真空炉冶炼的紧固件用钢,其氢含量通常较低,一般不超过1. 5 ×10-6,但目前大部分紧固件用钢的标准中还没有明确氢含量指标。紧固件中的氢除了来自原材料外,还可能来自热处理、表面处理、机械加工、服役环境等途径,尤其是表面处理过程中渗入氢,因此在12. 9 级及以上强度等级的紧固件生产过程中,应避免采用电解除油、酸洗、电镀、磷化等工艺;10. 9 级的外螺纹紧固件和渗碳的自攻钉类产品应在完成电镀后4 h 内进行去氢处理[9]。在设计和选用紧固件时,尽可能避免采用过高强度等级的产品,这是避免氢脆发生的有效措施。为适应装备轻量化的发展趋势,采用超高强度紧固件也是未来的发展方向。目前, 14. 9 级马氏体和16. 8级贝氏体超高强度紧固件已有应用,对于这种紧固件,如何预防和避免氢脆是重要的研究课题。

    另外,紧固件表面增碳也是引起氢脆的重要原因。增碳可提高紧固件的表面硬度,表面又是氢富集区,两者共同作用大大增加了氢脆的发生概率,甚至某些8. 8 级的紧固件在增碳后也会发生氢脆。因此GB /T 3098. 1 等相关标准中,对于10. 9 级及以上等级的紧固件,增加了增碳和最高表面硬度两项技术指标,目的是控制氢脆的发生。在实际案例中,由增碳引起的氢脆主要发生在含碳量较低的高强度紧固件中,如采用10B21、20MnTiB、20CrMnTi 等钢制作的10. 9 级紧固件。这是因为10. 9 级螺栓最常用的是含碳量( 质量分数) 为0. 40% ~0. 45% 的中碳钢,如40Cr、42CrMo和B7 钢等,因此热处理生产线的炉气氛碳势一般与这些材料相匹配,当处理碳含量较低的材料时,若没有调整碳势,就会造成产品增碳。

4 疲劳

    紧固件疲劳破坏的应力往往远低于其静载荷下的强度极限,属于脆性断裂,且断裂征兆不明显,是紧固件最常见、危害最大的失效形式。紧固件特有的螺纹结构是产生疲劳的“先天因素”。一方面,螺纹应力集中系数可达4 ~9,属于严重应力集中结构; 另一方面,内、外螺纹旋合后,每扣螺纹承受的载荷是不均匀的,第一扣旋合螺纹承受的载荷约为总载荷的1 /3,因此螺栓的疲劳基本上起源于螺纹副旋合的第一扣螺纹的牙底[10]。由于螺栓的结构特殊,导致其疲劳强度一般只有材料抗拉强度的1 /15 ~1 /10,当螺纹存在缺陷时,如增碳、脱碳、加工造成的尖角、流线切断、中径以下的折叠等,其疲劳强度会更低。根据上述特点,可以选择抗疲劳性能更好的螺纹结构,比如: 普通粗牙螺纹的疲劳性能优于细牙螺纹; 由于MJ 螺纹牙底过渡弧半径( 其螺纹牙底的半径达到0. 150P,P 为螺距) 高于普通螺纹( 0. 125P) ,因此其疲劳性能明显优于普通螺纹; 滚压加工的螺纹比切削加工的螺纹抗疲劳性能更好; 采用热处理后再滚压成形的工艺,不仅保留了螺纹牙底流线的密集和完整性,同时产生残余压应力,使其抗高周疲劳性能明显优于热处理前滚压成形的螺纹[11-12]。

    当然,提高螺栓疲劳性能的最有效途径是降低螺栓承受的交变载荷。通过理论计算可知,螺栓服役过程中承受的疲劳载荷与被连接件承受的疲劳载荷存在如下关系:


式中: Fa为螺栓受到的疲劳载荷,FA为被连接件受到的疲劳载荷,C1为螺栓的刚度系数,C2为被连接件的刚度系数。可见,降低螺栓的刚度系数可降低其服役过程中承受的疲劳载荷幅,因此如果对抗疲劳性能要求高,可选用细长的螺栓,如连杆螺栓和风电叶片螺栓等[13]。值得指出的是,式( 2) 是建立在螺栓预紧力足够大、被连接件接触面不分离的前提下的,当螺栓的预紧力不足或外部载荷使被连接件接触面分离时,被连接件承受的外部载荷将全部转移到螺栓上,使螺栓承受的疲劳载荷幅急剧增大,加速其疲劳失效。因此在紧固件的失效分析中总结出了“十个疲劳九个松”的规律。

    服役过程中发生疲劳断裂的螺栓通常有一定时间的裂纹扩展期,在此期间,由于环境的变化,不同阶段扩展的裂纹会形成有衬度的条纹,在宏观上表现为典型的“海滩纹”或“贝壳纹”,如图5( a) 所示。当环境条件变化不大或短时间内发生疲劳断裂时,如在密闭的发动机内或实验室进行台架试验时发生疲劳断裂的螺栓,其“海滩纹”可能不明显,通过扫描电镜观察断口的微观形貌,断口的裂纹扩展区可见一系列几百纳米到微米级间隔的平行条带,称为“疲劳条带”,如图5( b) 所示。这是疲劳断口典型的微观特征,从疲劳条带的间隔大小和分布还可以推断疲劳载荷幅的大小和经历的载荷周次,对疲劳断裂进行定量分析[14]。


5 应力腐蚀或腐蚀疲劳

    应力腐蚀是指材料或零件在应力和腐蚀环境的共同作用下发生的脆性断裂现象,没有明显的塑性变形。一般,引起应力腐蚀的介质并无强烈的腐蚀性,在没有施加应力的条件下,这种腐蚀介质并不会对零件产生严重的破坏; 当零件承受的应力远小于强度极限时,如果没有腐蚀介质也不会发生破坏。但同时具备应力条件和腐蚀条件时,应力腐蚀可能使零件产生严重的破坏。应力腐蚀断裂与材料、应力、腐蚀介质密切相关: ( 1)存在张应力,张应力可能远小于紧固件的强度极限,应力越大,断裂所需时间越短; ( 2) 具有特定的腐蚀性介质,如Cl-、H +、H2S、SO2-4等; ( 3) 对应力腐蚀敏感的材料,主要为奥氏体不锈钢、马氏体不锈钢、黄铜、高强度合金钢和铝合金[15]。对于抗拉强度大于1 200 MPa 的合金钢螺栓,其应力腐蚀主要表现为环境吸氢造成的延迟断裂,这与内部氢引起的延迟断裂的差异主要是,应力腐蚀断口通常有腐蚀产物和腐蚀坑,而内部氢导致的延迟断裂则没有腐蚀产物。

    在腐蚀介质作用下,螺栓的疲劳门槛值会显著降低,承受动载荷的螺栓发生疲劳的概率也会显著增大。腐蚀疲劳和应力腐蚀的裂纹通常起源于腐蚀坑,沿晶开裂较为常见。腐蚀疲劳裂纹通常是穿晶扩展,而应力腐蚀的裂纹通常是沿晶扩展,也有部分是穿晶扩展,如奥氏体不锈钢的应力腐蚀有时表现为树枝状的穿晶扩展。应力腐蚀或腐蚀疲劳的断口通常有泥状腐蚀产物,通过能谱分析可检测其中的腐蚀性介质,这是区分两者与其他断裂形式的有效手段。图6 为固定轨道车辆受电弓的螺栓螺纹底部的腐蚀疲劳裂纹[16]。紧固件表面缺陷( 如折叠和微裂纹等) 会导致腐蚀介质渗入缺陷内部,促进应力腐蚀或腐蚀疲劳裂纹的产生。


6 其他

    除了上述较为常见的失效形式外,某些在特定场合服役、用特殊材料或工艺制造的紧固件还可能表现为其他失效形式,如液态金属致脆、松弛蠕变、腐蚀等。液态金属致脆是指材料暴露在液态金属中,引起塑性降低乃至低应力脆断的现象,主要发生在有低熔点金属镀层( 如镀锡、镉) 或服役时与低熔点金属接触的紧固件上( 如Li、Na、K、Hg、Ca、Zn、及Pb-Bi、Ni-Sn 合金等) ,当紧固件与这些液态金属接触润湿后,在张应力作用下,材料逐渐发脆、断裂,其机制与应力腐蚀类似。某型柴油机4Cr9Si2 钢排气管耐热螺栓,台架试验后密封面漏气、螺栓断裂。检测分析发现其原因是,螺栓服役环境温度高达500 ℃,4Cr9Si2 钢螺栓发生了明显的松弛和蠕变。

    紧固件的腐蚀通常会影响外观质量,并造成拆卸困难,也偶有因腐蚀引发断裂事故的案例。图7 为某电站循环水泵的S32750 双相不锈钢螺栓,在服役约2 年后发生严重的腐蚀、断裂。检测分析发现,该批螺栓奥氏体和铁素体两相界面有大量σ 相,见图7( b) ,这些有害相在螺栓服役环境中首先被腐蚀,造成螺栓剥落、断裂。


7 结束语

    紧固件应用广泛,使用条件多变,失效形式也多种多样。总体上,氢脆和疲劳是目前高强度紧固件最常见也是损失最大的失效形式。紧固件整个生命周期中都可能存在失效的风险,紧固件的质量管理工作可从失效案例中借鉴经验,将失效分析作为工具,以预防作为抓手,从紧固件设计、选材、成形、热处理、表面处理、装配、维护等环节查找潜在的导致其失效的因素,降低失效发生率,这对提高我国紧固件的制造和应用水平乃至机械装备的可靠性都有意义。


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