500台发动机中有4台出现高强度螺栓断裂事故，氢脆很可怕

2018-06-07 14:56:53 作者：吝立永，王大伟来源：热处理生态圈分享至：

国内某款1.5T汽油发动机多次发生增压进油管与增压器联接螺栓断裂事故。发动机所用螺栓规格为M10×1.0，技术要求：材质40Cr，调质处理后硬度32HRC，表面镀彩锌，如图1所示。试验过程中内部油温在120～150℃内波动，当发动机转速达到3500r/min时，螺栓通过增加器热传导承受温度可达到275℃，螺栓拧紧力矩为42N·m。本批共装配500台发动机，陆续出现了4起断裂事故，其中3起出现在发动机试机过程中，1起出现在整车销售后行驶仅200km时。

1.断口分析

取失效的螺栓进行分析，宏观看其断裂位置均发生在螺栓法兰根部，断口平齐，断口周边无机械损伤和塑性变形，如图2所示。使用扫描电镜对断口进行检查，内部观察到较多的缺陷点、沿晶断裂及“鸡爪纹”的特征，如图3、图4所示。该螺栓为镀锌产品，制造过程中无去氢工艺流程，结合断口特征断定为氢脆断裂。

图2 断口宏观形貌

图3 2000×电镜成像形貌

图4 20000×倍电镜成像形貌

2.失效螺栓的检查

（1）材料化学成分检测

使用光谱仪检测失效螺栓的化学成分，结果如表1所示，化学成分合格。

表1 化学成分检测结果（质量分数）（%）

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
检测值	0.43	0.28	0.96	0.55	0.006	0.003

（2）硬度检查使用洛氏硬度计检测失效螺栓，并在同批次螺栓中随意抽查5件进行检测，结果如表2所示。

表2 硬度检测结果

项目	断裂螺栓	1^#	2^#	3^#	4^#	5^#
要求值	≥32HRC（1015MPa）
检测值HRC	42	38.5	41	39.5	43	38.5
对应抗拉强度/MPa	1322	1199	1294	1232	1361	1199

通过检测结果分析，螺栓的硬度比要求值偏高许多；经调查发现此联接螺栓之前存在密封漏油问题，采用的解决方案之一是将螺栓拧紧力矩由25N·m提高到42N·m，更改过程中出现过螺栓自螺纹处断裂事件，将螺栓的强度等级由8.8级提升到10.9级，规定硬度值≥32HRC，供应商实际处理的硬度38～43HRC，在提升硬度的同时未施加去氢工艺，最终导致了批量事故的发生。

3.原因分析

氢脆就是氢原子进入材料内部，聚焦在材料缺陷处并引起延迟失效的现象。

（1）氢的产生

螺栓表面镀彩锌，在电镀过程中螺栓作为阴极，吸附溶液中的金属正离子，同时也会吸附水电离后生产的H+离子，氢离子很小，可以穿透金属原子间隙向金属内部浸入。

（2）氢的浸入

螺栓是冷挤压成形，在加工过程中内部产生大量位错，晶界有变形开裂现象；在本例中螺栓回火温度为480℃，调质后的硬度偏高，内部仍旧存在大量缺陷，为氢的快速浸入与吸附集聚创造了有利条件。

（3）氢脆条件

螺栓的工作温度最高可以达到275℃，利于其内氢原子的扩散和聚集，形成氢气后在高温下体积膨胀，在材料内部形成了极高的内压，促使在材料缺陷处形成裂纹并极快扩展，使螺栓瞬间断裂。

4.采取措施

（1）增加去氢工艺

在电镀后1h内进行去氢，工艺规范为200℃×2h，此时氢原子主要集聚在金属表面，合成氢气后在高温下利于排出。本案例中发现螺栓存在氢脆时，产品电镀已经放置超过30天，氢原子完全渗入了金属内部，已经不能施行去氢工艺。库存螺栓全部报废，装车螺栓全部需要更换。

（2）变更硬度的范围与电镀工艺