【】摘要：采用扫描电镜、金相检验、显微硬度、化学成分分析、氢脆预载荷试验等方法对某型号乘用车方向盘固定螺钉的断裂原因进行了分析。结果表明，螺钉的断裂性质是氢致延迟断裂，裂纹起源于螺钉头下第一牙底。电镀后驱氢不充分致使螺钉表层残留较高浓度的氢，表面渗碳层及首牙处的应力集中构成了导致氢脆三个敏感因素。

汽车用紧固件相对于普通紧固件具有更高的安全性、可靠性要求高，汽车主机厂通常会要求其供应商提供的紧固件产品零缺陷，因为车辆在高速运行过程中，即使一个不起眼的螺钉断裂也可能造成严重的安全事故。某型号乘用车在试车时，用于固定方向盘的螺钉发生断裂，厂方要求分析断裂原因。该螺钉为一自挤螺钉，螺纹公称直径3.5mm，材质为SAE1022 ，表面渗碳后又经电镀锌处理。

1.理化检验

1.1断口分析

图1所示为断裂螺钉断面宏观形貌，该螺钉在一镁合金被连接部件上自攻螺纹安装，发现时螺钉头部已掉落丢失，图中所示为还未取出的断裂残件，其断口平齐，隐约可见发散性条纹收敛于断面右侧边缘。

汽车方向盘自挤螺钉断裂宏观形貌与断口边缘形貌

汽车方向盘自挤螺钉金相分析与渗碳层显微硬度测试

1.3 化学成分分析

采用电感耦合等离子发射光谱法（ICP）对螺钉部分残样进行化学成分分析，结果如表1所示，其化学成分与“SAE J430-2001”标准中1022钢的要求相比，碳含量偏高，这可能是由于螺钉表面渗碳的缘故。

表1 断裂螺钉化学成分（质量分数, %）

Tab.1 Chemical composition of the fractured screw (wt. %)

1.2 氢含量测定

取断裂试样残件和完好试样进行氢含量测定，据生厂家介绍，该批螺钉在电镀后已经做过200℃保温4小时的驱氢处理，但检测结果显示，该批螺钉氢含量仍处于较高水平。

表2 螺钉氢含量

为了进一步验证螺钉是否有氢脆倾向，根据GB/T 3098.17-2000进行检查氢脆预载荷试验，在保载48小时候后未发现螺钉断裂，但仔细观察后发现，多处螺纹部位已断裂或产生裂纹，如图7(a)所示。将螺纹断裂面放大后可见其断口为沿晶断裂形貌，晶间有二次裂纹，晶面上有大量鸡爪形撕裂痕，为典型的氢脆断口形貌，如图7(b)所示。

汽车方向盘自挤螺钉氢脆试验后螺钉形貌

2.综合分析

以上分析结果表明，螺栓断口平齐，无明显塑性变形，断口边缘为冰糖状沿晶形貌，晶面上有大量鸡爪形撕裂纹；芯部为准解理形貌，这些都是氢脆断裂的典型特征。同时，螺钉中也检测到了较高浓度的氢，检查氢脆预载荷试验结果也表明螺钉渗碳层是氢脆敏感区。

氢脆断裂是紧固件产品失效机理中比较常见的一种，是零件在低于材料屈服极限的静应力作用下导致的失效。它是由于氢渗入金属内部导致的不可逆损伤，它无征兆，具有突发性，因此，氢脆断裂具有极大的破坏性。影响氢脆的因素主要有：钢的含碳量、显微组织、钢的强度、硬度及所受应力等。钢的含碳量越高，强度越大，硬度越高，所受应力越大则氢脆敏感性就越高 [1]。在本案例中，螺钉在整个制作过程中经历了电镀工艺，致使氢渗入螺钉表层，虽然在电镀后经过驱氢处理，但螺钉中的氢含量仍处于较高水平，这可能是由于表面镀层对内部氢的逸出起到了一定的阻碍作用[2,3]。由于氢在材料内部分布并不均匀，会在材料的微观缺陷及应力较大处富集，头下第一牙处，为应力较大部位，在载荷的作用下，氢与局部应力交互作用，在此处形成氢的局部高浓度富集（远高于所检测的平均氢浓度）；而且螺钉表层经渗碳淬火后的高碳、高硬度组织具有较高的氢脆敏感性，致使氢致裂纹在渗碳层萌生并向内扩展，最终导致螺钉断裂。

3.结论

该螺钉的断裂性质是氢致延迟断裂，裂纹起源于渗碳层，驱氢不充分和渗碳层过厚是导致该螺钉氢脆断裂的根本原因，建议厂家在不影响镀层质量的前提下适当提高驱氢温度、延长保温时间，渗碳层厚度则宜控制在标准规定的下限。