01 测试背景

客户螺栓安装于变速器箱内差速器总成上，扭矩扳手每天班前进行校准。在太原及长沙整车下线路试时发生多起螺栓断裂失效，断裂位置基本位于螺牙与光杆过渡区域，如图1及表1所示，失效比例约为0.014%。
客户将断裂试样委托实验室进行分析，确认造成螺栓断裂的真正原因。

图1 断裂试样及正常样品图

表1 断裂试样信息

02 样品信息描述

客户螺栓安装于变速器箱内差速器总成上，单个差速器装配12pcs螺栓，装配扭矩145±10N·M，实际设定为145N·M。螺栓规格：12.9级，M12×26，材质SCM435，硬度39~44HRC。制程：冷镦→搓丝→热处理→表面磷化处理。

03 测试项目规范及设备信息

04 测试结果

 4.1|断口表面观察结果

对断口形貌进行观察，结果如图2所示：断裂1试样断口平齐，有明显的放射线与撕裂棱存在，A为放射线的起源位置，应为裂纹源位置。

图2 断口形貌图

4.2|断口SEM+EDS分析

对断裂螺栓断口进行SEM+EDS分析，结果如图3~4及表2所示：1、断裂螺栓试样的裂纹源位置上均存在明显的摩擦痕迹，成分中都含有不同量的P、Zn，这是表面磷化处理的特征元素，很有可能是螺栓磷化前存在微小裂纹；
2、断裂螺栓的扩展区呈现为典型的延晶断裂特征，同时存在着鸡爪纹与孔洞，这是氢脆特征；
3、断裂螺栓的瞬断区呈现为准解理特征；4、断裂螺栓为脆性断裂失效模式，有氢脆特征。

图3 试样表面各区微观断口形貌

图4 EDS分析位置

        表2 EDS分析结果（%）

4.3|试样切面分析

对断裂螺栓及正常位置切面形貌观察，结果如图5所示：1、断裂试样断口附近螺牙未发现有裂纹，断口附近基材内部未发现有缺陷；2、正常试样螺牙及杆部也未发现有裂纹，螺栓质量良好。

图5 切面形貌图

4.4|试样金相组织分析

对起泡位置与正常位置金相组织进行分析，结果如图6所示：芯部及牙部组织均为回火屈氏体+少量铁素体，牙部表层未发现有脱碳层。

图6 试样金相组织（500×）

4.5|试样硬度

对断裂螺栓断口及正常试样牙部及芯部硬度进行测试，结果如表3所示：断裂及正常试样芯部硬度~430HV0.3，符合12.9级螺栓对材质硬度要求，断裂试样牙部硬度较芯部高，~480HV0.3，超出规格要求。

表3 维氏硬度测试结果

4.6|试样化学成分

对断裂螺栓的化学成分进行测试，结果如表4所示：试样材质化学成分均符合SCM435规格。

表4 化学成分测试结果（%）

05 结果分析讨论

通过对断裂及正常螺栓进行分析，可以发现：螺栓成分符合SCM435规格要求，正常螺杆及断裂螺牙结构完整，未发现有裂纹等缺陷，芯部及牙部组织均为回火曲氏体+少量铁素体，牙部表面未发现脱碳现象，但断裂螺栓可以发现一些特征：1、裂纹源上存在摩擦痕迹及成分中存在P、Zn元素（磷化特征元素），应是由于磷化处理工艺前螺栓上存在有微裂纹；2、断口上的鸡爪纹及孔洞显示了螺栓的氢脆特征；3、芯部硬度符合12.9级螺栓硬度要求，但断裂螺牙硬度较芯部高，超出了螺栓硬度规定，这无疑增加了螺栓的脆性。螺栓经过表面磷化处理，都有一定的氢脆倾向，本案中螺栓断裂失效比较小，同时断裂时间也不同，因素2应该不是造成断裂的主因，因素1及3应是导致螺栓脆性断裂的主因。

06 结论与建议

螺栓上的微裂纹及螺牙硬度超规格应为螺栓脆性断裂的主因；建议：1、注意螺栓加工工艺，防止出现表面微裂纹缺陷；2、磷化处理后要做好除氢工艺。