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500臺發動機中有4臺出現高強度螺栓斷裂事故，氫脆很可怕

2018-06-07 14:56:53 作者：吝立永，王大偉來源：熱處理生態圈分享至：

國內某款1.5T汽油發動機多次發生增壓進油管與增壓器聯接螺栓斷裂事故。發動機所用螺栓規格為M10×1.0，技術要求：材質40Cr，調質處理后硬度32HRC，表面鍍彩鋅，如圖1所示。試驗過程中內部油溫在120～150℃內波動，當發動機轉速達到3500r/min時，螺栓通過增加器熱傳導承受溫度可達到275℃，螺栓擰緊力矩為42N·m。本批共裝配500臺發動機，陸續出現了4起斷裂事故，其中3起出現在發動機試機過程中，1起出現在整車銷售后行駛僅200km時。

1.斷口分析

取失效的螺栓進行分析，宏觀看其斷裂位置均發生在螺栓法蘭根部，斷口平齊，斷口周邊無機械損傷和塑性變形，如圖2所示。使用掃描電鏡對斷口進行檢查，內部觀察到較多的缺陷點、沿晶斷裂及“雞爪紋”的特征，如圖3、圖4所示。該螺栓為鍍鋅產品，制造過程中無去氫工藝流程，結合斷口特征斷定為氫脆斷裂。

圖2 斷口宏觀形貌

圖3 2000×電鏡成像形貌

圖4 20000×倍電鏡成像形貌

2.失效螺栓的檢查

（1）材料化學成分檢測

使用光譜儀檢測失效螺栓的化學成分，結果如表1所示，化學成分合格。

表1 化學成分檢測結果（質量分數）（%）

元素	C	Si	Cr	Mn	S	P
要求值	0.37～0.44	0.17～0.37	0.8～1.1	0.5～0.8	≤0.03	≤0.03
檢測值	0.43	0.28	0.96	0.55	0.006	0.003

（2）硬度檢查使用洛氏硬度計檢測失效螺栓，并在同批次螺栓中隨意抽查5件進行檢測，結果如表2所示。

表2 硬度檢測結果

項目	斷裂螺栓	1^#	2^#	3^#	4^#	5^#
要求值	≥32HRC（1015MPa）
檢測值HRC	42	38.5	41	39.5	43	38.5
對應抗拉強度/MPa	1322	1199	1294	1232	1361	1199

通過檢測結果分析，螺栓的硬度比要求值偏高許多；經調查發現此聯接螺栓之前存在密封漏油問題，采用的解決方案之一是將螺栓擰緊力矩由25N·m提高到42N·m，更改過程中出現過螺栓自螺紋處斷裂事件，將螺栓的強度等級由8.8級提升到10.9級，規定硬度值≥32HRC，供應商實際處理的硬度38～43HRC，在提升硬度的同時未施加去氫工藝，最終導致了批量事故的發生。

3.原因分析

氫脆就是氫原子進入材料內部，聚焦在材料缺陷處并引起延遲失效的現象。

（1）氫的產生

螺栓表面鍍彩鋅，在電鍍過程中螺栓作為陰極，吸附溶液中的金屬正離子，同時也會吸附水電離后生產的H+離子，氫離子很小，可以穿透金屬原子間隙向金屬內部浸入。

（2）氫的浸入

螺栓是冷擠壓成形，在加工過程中內部產生大量位錯，晶界有變形開裂現象；在本例中螺栓回火溫度為480℃，調質后的硬度偏高，內部仍舊存在大量缺陷，為氫的快速浸入與吸附集聚創造了有利條件。

（3）氫脆條件

螺栓的工作溫度最高可以達到275℃，利于其內氫原子的擴散和聚集，形成氫氣后在高溫下體積膨脹，在材料內部形成了極高的內壓，促使在材料缺陷處形成裂紋并極快擴展，使螺栓瞬間斷裂。

4.采取措施

（1）增加去氫工藝

在電鍍后1h內進行去氫，工藝規范為200℃×2h，此時氫原子主要集聚在金屬表面，合成氫氣后在高溫下利于排出。本案例中發現螺栓存在氫脆時，產品電鍍已經放置超過30天，氫原子完全滲入了金屬內部，已經不能施行去氫工藝。庫存螺栓全部報廢，裝車螺栓全部需要更換。

（2）變更硬度的范圍與電鍍工藝