螺栓腐蝕失效分析

小小的螺栓雖不起眼，但它作為串聯(lián)起汽車關(guān)鍵零部件的緊固件，一旦腐蝕斷裂失效，輕則汽車故障，重則出現(xiàn)人員傷亡。

近日，《國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局》網(wǎng)站披露，特斯拉汽車（北京）有限企業(yè)向國(guó)家市場(chǎng)監(jiān)督管理總局備案了召回計(jì)劃。決定自2020年6月7日起，召回2016年4月15日至2016年10月16日期間生產(chǎn)的部分進(jìn)口Model X系列汽車，共計(jì)3183輛。

本次召回范圍內(nèi)的部分車輛存在長(zhǎng)期暴露于強(qiáng)效除冰鹽等高腐蝕的環(huán)境時(shí)，將轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)固定在轉(zhuǎn)向機(jī)殼體上的螺栓可能被腐蝕并斷裂，造成轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)發(fā)生移位、傳動(dòng)皮帶打滑，從而導(dǎo)致轉(zhuǎn)向助力減弱或喪失，可能會(huì)增加車輛發(fā)生碰撞的風(fēng)險(xiǎn)，存在安全隱患。下面本文將從特斯拉召回為例，分析螺栓斷裂失效產(chǎn)生的原因、螺栓選擇和裝配應(yīng)注意什么。

特斯拉將為召回范圍內(nèi)的車輛更換新的轉(zhuǎn)向機(jī)鋼制螺栓，并在轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)殼體以及電機(jī)固定螺栓上增加防腐蝕涂層；如發(fā)現(xiàn)固定螺栓損壞或者在拆卸過程中受到損壞則免費(fèi)更換轉(zhuǎn)向機(jī)。

據(jù)外國(guó)媒體報(bào)道，美國(guó)時(shí)間2020年2月12日，特斯拉企業(yè)決定在北美召回1.5萬(wàn)輛ModelX，起因是該款車型存在失去轉(zhuǎn)向助力的隱患。特斯拉官方稱，本次召回適用于2016年10月中旬以前生產(chǎn)的大多數(shù)ModelX車型，之后生產(chǎn)的則不受影響，共涉及14193輛美國(guó)汽車和843輛加拿大汽車，暫不涉及中國(guó)市場(chǎng)。

這并非特斯拉第一次因轉(zhuǎn)向助力隱患召回產(chǎn)品

2018年初，特斯拉宣布，由于動(dòng)力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)故障，將在全球范圍召回12.3萬(wàn)輛Model S轎車。召回范圍覆蓋在2016年4月前出廠的所有Model S 轎車。而導(dǎo)致召回原因是，特定螺栓在冰冷氣候下腐蝕可能導(dǎo)致動(dòng)力方向盤失靈。而在冰冷環(huán)境下，道路上被大量潑灑用于融雪的路鹽可能加速問題部件的腐蝕速度。

由上述召回車輛的出廠時(shí)間大家不難發(fā)現(xiàn)，2018年，特斯拉首次因特定螺栓召回時(shí)將范圍圈定為2016年4月前出廠的所有Model S 轎車，但實(shí)質(zhì)上2016年4月15日至2016年10月16日期間生產(chǎn)的部分Model X系列汽車也存在同樣的問題，而這些車輛帶著安全隱患又繼續(xù)行駛了兩年時(shí)間，時(shí)至今日問題才被發(fā)現(xiàn)得以公布。

造成同樣問題二次召回的局面，究竟是特斯拉首次召回時(shí)刻意隱瞞其他車輛問題，還是企業(yè)對(duì)其他產(chǎn)品相同潛在問題排查不利，大家尚無(wú)從知曉。

值得慶幸的是目前尚無(wú)報(bào)告稱因上述問題造成嚴(yán)重后果，但特斯拉作為集現(xiàn)代先進(jìn)科技于一身的電動(dòng)汽車制造商，在小小的螺栓上“栽倒”兩次，難免讓外界對(duì)特斯拉在品控及產(chǎn)品潛在風(fēng)險(xiǎn)防控方面的能力產(chǎn)生質(zhì)疑。

1 特斯拉螺栓斷裂分析

（1）召回螺栓連接部位說(shuō)明

本次召回是因?yàn)殡娮又D(zhuǎn)向機(jī)殼體連接螺栓的問題，召回螺栓的應(yīng)用部位如下：電子助力轉(zhuǎn)向機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)連接螺栓和轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)與轉(zhuǎn)向機(jī)殼體裝配后連接螺栓孔。

（2）召回可能原因分析

從召回說(shuō)明中可以看出連接螺栓材質(zhì)為鋁合金，電機(jī)和齒輪箱的殼體也都是鋁合金材質(zhì)，正常情況下這種材質(zhì)的螺栓是不會(huì)容易造成腐蝕的。但召回說(shuō)明中提及是由于融雪劑造成的腐蝕，使螺栓造成斷裂。

根據(jù)model S的特斯拉工程師的說(shuō)明，融雪劑中特別是經(jīng)常使用鈣鹽或鎂鹽而不是氯化鈉（食鹽）會(huì)造成更大的腐蝕。

融雪劑主要分為兩大類：

一類是：以醋酸鉀為主要成分的有機(jī)融雪劑，雖然這一類融雪劑融雪效果好，沒有什么腐蝕損害，但它的價(jià)格太高，一般只適用于機(jī)場(chǎng)等地； 

另一類是：氯鹽類融雪劑，包括氯化鈉、氯化鈣、氯化鎂、氯化鉀等，通稱作“化冰鹽”。它的優(yōu)點(diǎn)是便宜，價(jià)格僅相當(dāng)于有機(jī)類融雪劑的1/10，但它對(duì)大型公共基礎(chǔ)設(shè)施的腐蝕是很嚴(yán)重的。

根據(jù)王樹軒等撰寫的論文《氯鹽型融雪劑碳鋼腐蝕性的測(cè)定新方法》，當(dāng)配置成溶液濃度低于4％時(shí) ，腐蝕物失重率為CaCl2>MgCl2 >NaCl，因此當(dāng)濃度低于4%時(shí)，鈣鹽和鎂鹽的融雪劑會(huì)引起更大的腐蝕。

這個(gè)螺栓的連接裝配后，基本沒有外露部分，原則上不會(huì)造成螺栓本身的腐蝕。分析可能的原因是融雪劑會(huì)滲入到螺紋孔中，造成螺紋、螺紋孔的腐蝕，特別是螺紋孔腐蝕后，如果螺紋孔的設(shè)計(jì)嚙合長(zhǎng)度又比較短，可能就會(huì)造成螺紋孔的滑牙，或者即使不滑牙也會(huì)引起預(yù)緊力的下降，在長(zhǎng)期的疲勞載荷作用下會(huì)導(dǎo)致螺栓的疲勞斷裂。

從召回措施說(shuō)明中采用密封劑來(lái)對(duì)螺栓頭部、電機(jī)與齒輪箱殼體以及他們的接觸面，這樣就會(huì)減少腐蝕，特別是螺栓頭與齒輪箱殼體、齒輪箱殼體與電機(jī)殼體之間的腐蝕。

從這些措施中也可以看出實(shí)際上螺栓本身設(shè)計(jì)或質(zhì)量都是沒有問題的，主要是由于被連接件可能會(huì)產(chǎn)生腐蝕，特別是接觸面之間腐蝕，加上齒輪箱殼體法蘭壁厚比較薄，造成被連接件的剛度比較大，如果在接觸面出現(xiàn)一定的腐蝕后，被連接件夾緊長(zhǎng)度出現(xiàn)很微小的變化，也會(huì)造成預(yù)緊力的下降，從而在疲勞載荷作用下就會(huì)產(chǎn)生結(jié)合面開口的問題，從而造成較大的疲勞應(yīng)力，螺栓有些能就會(huì)出現(xiàn)疲勞斷裂。

另外，此處通常采用鋼制8.8級(jí)螺栓，而特斯拉說(shuō)明中采用鋁合金螺栓，如果與通常的8.8級(jí)螺栓規(guī)格一致的話，可能會(huì)造成夾緊力不足；

如果與8.8級(jí)螺栓規(guī)格采用更大一級(jí)規(guī)格的話，如采用M8的規(guī)格，而其他零件采用共用零件，借用其他車型零件的話，這樣就會(huì)造成鋁合金被連接件的壁厚變薄，從而會(huì)引起強(qiáng)度不足等一系列的問題。

（3）總結(jié)

此處轉(zhuǎn)向機(jī)電機(jī)安裝螺栓召回的主要原因是：由于融雪劑的作用造成被連接件，特別是結(jié)合面之間出現(xiàn)一定的腐蝕作用，造成被連接件夾緊長(zhǎng)度微小的減小，從而減低螺栓的預(yù)緊力，最終在疲勞載荷作用下，產(chǎn)生螺栓的疲勞斷裂。

通常，此處螺栓都是采用8.8級(jí)鋼制螺栓，特斯拉采用鋁合金螺栓，可能會(huì)造成螺栓強(qiáng)度低，預(yù)緊力不足，在外部載荷作用下，會(huì)造成被連接件的開口，從而產(chǎn)生較大的疲勞應(yīng)力，可能引起螺栓的疲勞斷裂。

還有一個(gè)可能原因是：被連接件借用現(xiàn)有成熟零件，更大的鋁合金螺栓造成嚙合長(zhǎng)度不足，或者螺紋孔加大后壁厚變薄造成強(qiáng)度不足。

2 常見緊固件失效分析

（1）通常緊固件的失效，包括下面幾種：

① 裝配擰拉斷裂；

② 螺紋受剪切力擰斷；

③ 應(yīng)力集中部位使用后斷裂；

④ 疲勞斷裂；

⑤ 延時(shí)斷裂；

⑥ 零件扭矩報(bào)警；

⑦ 螺紋滑牙。

（2）失效產(chǎn)生的原因，來(lái)源于下面三個(gè)方面之一或綜合在一起：

① 緊固件制造過程的質(zhì)量問題導(dǎo)致緊固件失效；

② 緊固件選配或部件的使用問題（包括人為的）導(dǎo)致緊固件失效；

③ 緊固件裝配問題導(dǎo)致緊固件失效。

（3）下面先舉幾個(gè)大家日常見到的緊固件失效例子：

1）為了確定一個(gè)產(chǎn)品設(shè)計(jì)是否可靠，有很多方法可以進(jìn)行破壞性測(cè)試來(lái)驗(yàn)證確認(rèn)。通常很多生產(chǎn)廠最喜歡的是，有意地在受控環(huán)境中（給定工況和載荷譜）破壞一個(gè)組件（例如試驗(yàn)到緊固件斷裂為止），以確定一個(gè)或多個(gè)組件（包括緊固件）的性能，最終獲得一些導(dǎo)致產(chǎn)品失效的原因。這方面導(dǎo)致的緊固件失效是人為有意導(dǎo)致的，這種方式及結(jié)果是否完全合理不好簡(jiǎn)單評(píng)價(jià)。

2）還有消費(fèi)者有意無(wú)意地經(jīng)常性濫用產(chǎn)品的問題。舉個(gè)例子來(lái)說(shuō)，一個(gè)人花了更多的時(shí)間在一個(gè)低價(jià)的桌上擺弄他的沉重的公文包和行李箱，而不是在桌子上工作。不久，支撐桌子的緊固件就會(huì)松動(dòng)或破裂而失效，這種緊固件故障可能導(dǎo)致人身傷害，但制造商不太可能召回產(chǎn)品，因?yàn)槭强蛻羰褂貌划?dāng)導(dǎo)致了問題。

3）沃爾沃汽車在2017年3月召回了三種車型，原因是用于固定側(cè)簾安全氣囊的螺栓出現(xiàn)故障。固定安全氣囊的螺栓制造過程質(zhì)量沒有有效管控，可能會(huì)因內(nèi)部氫脆而迅速斷裂。沃爾沃工程師們認(rèn)為，整個(gè)安全氣囊設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)上是合理的，但由于緊固件制造過程產(chǎn)生的潛在缺陷導(dǎo)致需要對(duì)整個(gè)氣囊總成進(jìn)行更換。

4）松動(dòng)的緊固件也可能最終失效。兩年前，越野車制造商北極星不得不召回所有的指揮官車型，因?yàn)檩斎胼S緊固件松動(dòng)，并允許軸沿動(dòng)力轉(zhuǎn)向花鍵的長(zhǎng)度方向移動(dòng)。在極端情況下，這種移動(dòng)可能導(dǎo)致軸與花鍵完全分離。

5）通用汽車企業(yè)的工程師們?cè)?014年發(fā)現(xiàn)了幾個(gè)車型的緊固件松動(dòng)，導(dǎo)致該企業(yè)今年召回了500000多輛汽車。雪佛蘭黑斑羚有一個(gè)“強(qiáng)力定型”的緊固件，沒有擰緊到規(guī)范要求的扭矩。GMC全地形車、別克君威、長(zhǎng)曲棍球和凱迪拉克SRX前排座椅和乘客座椅自由地上下移動(dòng)導(dǎo)致一次撞車，三人受傷。

據(jù)統(tǒng)計(jì)，在95%的故障中，緊固件在安裝或維修過程中出了問題，另外5%是因?yàn)槭褂昧隋e(cuò)誤的緊固件。

（5）從緊固件的制造和裝配過程看失效原因

緊固件與所有其他制造產(chǎn)品有一個(gè)共同點(diǎn)：制造控制得越好，性能越好。在制造過程中，有幾個(gè)因素影響緊固件質(zhì)量：

1）如果溫度達(dá)到700攝氏度左右，在熱處理過程中可能發(fā)生金屬脫碳，而且爐內(nèi)沒有足夠的保護(hù)氣氛。這可能會(huì)導(dǎo)致螺紋處變軟脫落。

2）淬火和回火（或拉伸）是鋼緊固件最常用的熱處理工藝之一。緊固件應(yīng)在從淬火中取出后和完全冷卻前幾分鐘內(nèi)進(jìn)行回火。否則可能導(dǎo)致淬火開裂、過早失效或使用壽命短于正常使用壽命（見圖1）。

圖 1

3）在緊固件頭部成形過程中，金屬的晶粒流線在正確的方向上是很重要的。向螺栓頭部與桿部交界處的圓角處急劇移動(dòng)的晶粒流線不能產(chǎn)生良好的流動(dòng)（見圖2）。這可能會(huì)使緊固件在安裝過程中頭部容易斷裂。

圖 2 在頭部成形過程中，金屬的晶粒流線向正確的方向成形是非常重要的。左邊的圖像表示符合SAE USCAR8規(guī)范的可接受顆粒流。

大家在制造過程中需要檢查緊固件，以確定合適的晶粒流動(dòng)模式，檢查員用鹽酸和水將樣品緊固件的頭部分段煮沸1分鐘，這樣就可以很容易地評(píng)估晶粒的流動(dòng)。例如，大家的汽車客戶使用的所有頭螺栓和螺釘必須滿足SAE USAC8規(guī)范的晶粒流動(dòng)模式。

4）當(dāng)扭矩太大時(shí)，靠近頭部的螺紋太近的話會(huì)增加頭部的壓力。這種情況也可能導(dǎo)致從頭到桿部的失敗。因?yàn)檫@個(gè)缺陷會(huì)增加徑向應(yīng)力，當(dāng)它出現(xiàn)在緊固件中時(shí)會(huì)加速氫脆（見圖3）。

圖 3  氫脆是緊固件失效的常見原因。照片中的箭頭表示荷載應(yīng)力區(qū)域。

當(dāng)氫在緊固件電鍍過程中被吸附在鋼中并沿晶界移動(dòng)到應(yīng)力集中時(shí)，會(huì)發(fā)生內(nèi)部氫脆。這可能會(huì)在負(fù)載下導(dǎo)致突然的災(zāi)難性故障。

5）大多數(shù)螺紋緊固件都經(jīng)過電鍍或保護(hù)涂層處理，以防止生銹或腐蝕，然后根據(jù)ASTM B117（鹽霧試驗(yàn)）測(cè)試其抗腐蝕性，這一過程可能導(dǎo)致保護(hù)涂層的破壞。

6）在最終測(cè)試和裝配的過程中，每個(gè)緊固件都會(huì)遭受一些或多或少的破壞，導(dǎo)致保護(hù)涂層可能會(huì)受損。在使用過程中可能出現(xiàn)過早的紅色（氧化鐵）銹蝕。

7）另一個(gè)常見的問題是浸漬旋涂。它提供了極好的防腐蝕保護(hù)，但當(dāng)過多的電鍍填充小螺釘?shù)念^部時(shí)，可能會(huì)導(dǎo)致不能順利的鉆孔。

緊固件的幾何結(jié)構(gòu)、材料、熱處理、表面處理和其他因素都會(huì)影響其從裝配到安裝產(chǎn)品的使用壽命期間的性能，因此，應(yīng)始終將緊固件視為工程部件而不是簡(jiǎn)單的標(biāo)準(zhǔn)件。

3 緊固件選擇建議

高質(zhì)量的緊固要求緊固件與所連接的材料以及緊固件（如果是螺栓）與螺母完美匹配。例如，使用帶有5級(jí)螺母的8級(jí)螺栓將產(chǎn)生低于預(yù)期的夾緊力。

由于產(chǎn)品小型化，正確的緊固件選擇比以往任何時(shí)候都更加重要，緊固件處理不僅要相同的負(fù)載，還要在更小的空間內(nèi)使用更輕、更薄的材料。

（1）不建議重復(fù)使用，重復(fù)使用的螺母上的螺紋比配對(duì)螺栓上的螺紋稍軟，此外，由于螺紋摩擦增加，每次額外使用時(shí)，這些螺紋都會(huì)被壓縮并不斷失去夾緊載荷。您可以看到這種情況對(duì)車輪螺柱的影響，這些螺柱通常在行駛120000英里左右后失效。

（2）建議不要在同一部件中使用不同類型的螺栓或過長(zhǎng)的螺栓。在前一種情況下，硬度較高的緊固件最終將承載大部分載荷。太長(zhǎng)螺栓上的螺紋在連接處的減震會(huì)相對(duì)較少，實(shí)際上會(huì)導(dǎo)致該區(qū)域過早的金屬疲勞。

（3）美學(xué)是一個(gè)合理的考慮，制造商通常希冀緊固件頭能增強(qiáng)組裝產(chǎn)品的外觀。例如，哈雷戴維森使用鍍鉻和不銹鋼螺母和螺栓組裝摩托車鏈輪、控制臺(tái)和空氣濾清器。這些緊固件必須仍然能夠抵抗振動(dòng)和環(huán)境濕度。

（4）制造商防止緊固件失效的另一種方法是只購(gòu)買完全符合所有設(shè)計(jì)規(guī)范的緊固件。幾年前，波音企業(yè)開始更加嚴(yán)格地實(shí)行其拒絕向企業(yè)供應(yīng)所有不合格緊固件的政策。此舉是對(duì)美國(guó)聯(lián)邦航空局（FAA）計(jì)劃罰款波音275萬(wàn)美金的回應(yīng)，原因是該企業(yè)2008年在777型飛機(jī)上安裝了不合格的緊固件。

4 緊固件的裝配注意事項(xiàng)

正確的制造和選擇是防止緊固件失效的重要第一步。擰緊過程中確保達(dá)到規(guī)定的要求（很多情況下特別是野外維修維護(hù)都可能會(huì)出現(xiàn)達(dá)要么不到規(guī)范要求要么過度擰緊），并保持緊固件螺紋完整性。

（1）過度擰緊可能導(dǎo)致裝配過程中緊固件斷裂，這是顯而易見的，也可能導(dǎo)致螺紋剝離，這可能不是那么明顯。后者特別危險(xiǎn)，因?yàn)槁菟ㄟB接的完整性可能會(huì)受到損害，組裝人員無(wú)法檢測(cè)到。

（2）正確理解緊固件的潤(rùn)滑性（摩擦和扭矩系數(shù)等）有助于最終用戶在使用扭矩時(shí)獲得最佳夾緊載荷。然而，緊固件上不需要的潤(rùn)滑劑，如裝配工手中的一點(diǎn)油，可能會(huì)導(dǎo)致過緊。這會(huì)通過增加夾緊力來(lái)改變連接處的扭矩張力值。當(dāng)緊固件未充分?jǐn)Q緊至較低的夾緊載荷時(shí)，超過該夾緊載荷的周期性或波動(dòng)性載荷可能很快導(dǎo)致疲勞。

（3）未擰緊的緊固件承受的外部載荷比預(yù)期的要大?？赡芟瘸霈F(xiàn)一些小的異常噪音如吱吱聲和嘎嘎聲，一直到災(zāi)難性的疲勞失效。

（4）擰緊不足也有可能是由于嵌件松弛造成的。例如，當(dāng)螺栓嵌入軟材料中時(shí)，無(wú)法完全壓緊連接處。螺母裝配不當(dāng)是擰緊不足的另一個(gè)原因。當(dāng)螺母擰下得太快時(shí)，會(huì)產(chǎn)生反彈效應(yīng)，擰緊處會(huì)稍微回彈松動(dòng)。此外，由于螺栓長(zhǎng)度范圍內(nèi)的扭轉(zhuǎn)性松弛，擰緊螺栓頭部而不是螺母會(huì)減少10%到15%的夾緊載荷。

（5）螺紋需要盡可能保持清潔，盡管有少量潤(rùn)滑劑，以便于安裝和拆卸。即使螺紋上的微小顆粒物也會(huì)降低緊固件在安裝過程中的摩擦系數(shù)。這會(huì)增加結(jié)合處張力和應(yīng)力，使緊固件容易發(fā)生故障。緊固件摩擦系數(shù)平均為0.15，但根據(jù)潤(rùn)滑劑和緊固件鍍層的不同而有所不同。

（6）有時(shí)可以通過不同角度重新裝配零件來(lái)修復(fù)螺紋錯(cuò)扣。但是，如果螺紋幾何形狀不準(zhǔn)確，則可能需要修理或更換零件。如果不修復(fù)螺紋錯(cuò)扣問題，緊固件可能無(wú)法安裝到正確位置，導(dǎo)致螺紋將無(wú)法承受規(guī)定的夾緊力。

（7）當(dāng)壓力和摩擦導(dǎo)致螺栓螺紋卡在螺母或螺紋孔的螺紋上時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磨損。如果緊固件因磨損而卡住，則通常需要切斷螺栓或拆下螺母的情況下才能完成拆卸。