发电机用紧固件螺钉断裂分析

王婷，轩喜瑜，成智会

陕西航空电气有限责任公司 陕西兴平 713100

1 序言

紧固件是将两个或两个以上零件通过一定过盈配合形式联接或紧固在一起的一类机械零件，具有增加摩擦、防止松动等作用[1]。随着汽车、电子、军工、航空航天等行业的高速发展，紧固件的需求急剧增加，由于其使用领域广泛，它的质量安全问题直接关系到产品交付、产品质量和人身安全[2-5]。

氢脆是影响高强度紧固件质量的重要因素之一，常表现为延时断裂，其危害性极大，是一个不容忽视的重要问题，已引起整个紧固件行业及用户的广泛关注。截止目前，国内多位学者对紧固件的断裂问题进行研究报道，孙小炎等[6-11]对紧固件的氢脆断裂进行研究，发现氢脆断裂现象与热处理、电镀、酸洗等有直接关系。总之，影响紧固件氢脆的因素很多，包括氢含量、工艺因素、材料组织状态、材料强度、应力因素等。

我公司某发电机转子装配紧固件螺钉在工作过程中发现断裂，该螺钉规格为M5×20ZnD，是发电机上联接主发转子引出线和保护电阻引出线的一个零件，使电机正常发电，确保飞机正常工作。因此，本论文主要通过对断裂螺钉进行宏观分析、电镜能谱分析、化学成分分析、硬度检测、金相检验、氢含量检测等，以确定螺钉断裂性质，并查找其失效的直接原因，从而为此类零件失效故障的研究和预防提供借鉴。

2 试验过程与结果

2.1 宏观观察

螺钉的具体断裂位置如图1所示，断裂位置在靠近螺钉头部的第一螺牙根部。

图1 螺钉断裂位置

将螺钉头部断口放置于Leica MZ75体视显微镜下进行观察，断口较平齐，呈亮灰色可见结晶颗粒，断口有人字纹花样，收敛于断口左侧，断口边缘无明显的宏观塑性变形痕迹，未观察到明显冶金缺陷，形貌如图2所示。

图2 螺钉断口宏观形貌

2.2 微观检查

将螺钉头部断口置于无水乙醇溶液中进行超声波清洗，置于VEGA Ⅱ LMH扫描电镜下观察，断口可见放射棱线，收敛方向为裂纹萌生区，形貌如图3所示。放大观察，微观形貌大部分区域呈冰糖块状沿晶断裂特征，晶面存在大量的鸡爪痕状撕裂棱，轮廓鲜明，断口上可见二次裂纹，形貌如图4、图5所示。断口较粗糙处为最后断裂区呈等轴韧窝特征，可见螺钉开裂后受到的垂直应力逐渐增大，微观断裂特征逐渐转变为准解理，最后为韧窝形貌，如图6所示。

图3 电镜下螺钉断口形貌

图4 沿晶冰糖块状形貌

图5 晶面鸡爪痕状形貌

图6 瞬断区等轴韧窝形貌

对断口沿晶特征部分进行能谱分析，其基体成分除Fe、C、S外，未检测到其他元素，符合45A材料标准的要求。

2.3 化学成分分析

用直读光谱仪对断裂件基体进行化学成分检测，其结果见表1。该螺钉的主要化学成分C、S、P，其质量分数分别为0.42%、0.002%、0.017%，符合GJB 1951—1994标准45A要求。

表1 螺钉化学成分（质量分数）检测结果（%）

2.4 硬度检测

从断裂螺钉中制取硬度试样，用MH-5显微硬度计检测硬度，结果见表2。洛氏硬度HRC按照GB/T 1172—1999换算的抗拉强度平均值1452MPa，不符合设计资料要求，且材料实际强度比资料要求高很多，材料脆性倾向增大，这与热处理工艺不当有直接关系。建议调节材料硬度，使其满足设计资料要求。

表2 螺钉硬度检测结果

2.5 金相分析

从断裂螺钉上制取金相试样，未腐蚀置于Leica DMR金相显微镜下观察，基体非金属夹杂物级别符合要求，未见其他冶金缺陷。将该试样用4%硝酸酒精浸蚀后进行观察，其组织为回火索氏体且均匀一致，未见脱碳现象，形貌如图7所示。

图7 基体金相组织

2.6 氢含量检测

将断裂螺钉进行氢含量检测，零件中的氢含量约为7ppm（1ppm=10-6），远高于材料中规定值，可见氢含量较高对氢脆断裂更加敏感。该批零件进行镀锌钝化工艺后进行除氢处理，除氢不完全或不及时都可能让基体内部的氢原子无法扩散处理，聚集在基体应力集中部位，受到较大载荷时发生断裂。

2.7 拉断力试验

从库存任取3件同批次螺钉，用CMT 5205微机控制电子万能试验机进行拉力试验，结果见表3。该螺钉的抗拉强度值均高于设计要求800～1000MPa，不符合设计要求。

表3 库存螺钉拉力检测结果（MPa）

3 分析与讨论

由以上检测结果可知，螺钉断口未见冶金缺陷、化学成分符合要求，可排除因材料缺陷导致的断裂。通过微观观察可知，断口较干净且无腐蚀产物，呈沿晶断裂特征。其晶面干净，晶粒轮廓清晰，没有附着物，部分晶面可见大量鸡爪形的撕裂棱。

为了确保螺钉在交变冲击和振动的工作环境下能承受较大的拉力和剪力，不仅需较高强度，还需高的耐冲击性能。由硬度检测结果可知，硬度换算的抗拉强度值远高于设计要求。零件虽符合高强度的要求，但材料的临界应力变低，孕育期越短，在多次交变、冲击等载荷下，其脆性断裂倾向增大。该零件同批次的强度值与失效件相当，均远高于设计要求，而该材料的强度较高与热处理工艺有关，建议调整该螺钉的热处理工艺，使其强度略高于标准要求，保持材料的塑性，降低脆性断裂的敏感性。

由该零件工艺可知，失效螺钉进行镀锌钝化处理，测量失效件的氢含量较大，可能在酸性溶液中时间过长或温度过高，零件就会大量吸收氢原子，镀锌工序后没有及时除氢或除氢不充分，原子状态的氢就会渗入到镀层底部，经过一段时间后氢扩散到金属内部，特别是聚集在金属内部缺陷或应力集中部位，在零件中很难扩散出来，当局部氢含量达到一定程度后使基体脆化，最终发生氢脆断裂。该氢原子的存在使材料对氢敏感性增加，建议在镀锌工艺之后，对零件及时除氢或延长除氢时间，减少氢脆断裂的可能性。

4 结束语

1）螺钉断裂为氢脆断裂。

2）螺钉强度偏高，不符合设计资料要求，使材料基体脆性断裂倾向增大。建议调整热处理制度，使螺钉强度符合技术要求，降低材料的脆性断裂敏感性。

3）螺钉基体氢含量较大，氢主要来源于表面处理中镀锌钝化后除氢不及时或不彻底，建议及时除去零件中的氢原子或延长除氢时间。