緊固件是連接和緊固零部件的元件，在各類車輛、儀表中得到廣泛應(yīng)用。盡管不同領(lǐng)域緊固件的原料、性能存在差別，但基本用途是相同的，即緊固、連接[1]。緊固件一旦失效，則無法發(fā)揮作用，從而影響設(shè)備的使用性能，甚至帶來安全隱患。本文對(duì)汽車緊固件（標(biāo)準(zhǔn)件）失效問題成因和預(yù)防措施進(jìn)行探討，以更好地發(fā)揮汽車緊固件的性能，提升汽車行駛的安全性。

1、 緊固件概述

大部分緊固件的構(gòu)成是相似或相同的。汽車緊固件一般包括螺栓、螺柱、螺母、自攻螺釘、木螺釘、墊圈、擋圈、銷、鉚釘、組合件和連接副、焊釘?shù)取?/p>

不同構(gòu)件的作用也不相同，比如螺栓、螺柱、螺母等屬于可拆卸連接結(jié)構(gòu)，一般需要根據(jù)設(shè)計(jì)要求進(jìn)行加工，進(jìn)而發(fā)揮緊固、連接作用[2]。在應(yīng)用過程中，緊固件也會(huì)出現(xiàn)失效問題，比如脫落、摩擦力下降等，從而無法有效連接零部件[3]。

2、 汽車緊固件失效問題成因

2.1 材料問題

材料問題導(dǎo)致的汽車緊固件失效是指因結(jié)構(gòu)不佳引起的緊固件質(zhì)量缺陷，包括螺栓、螺母質(zhì)量異常等，可根據(jù)其具體情況分為兩種類別，即材料表面缺陷、材料內(nèi)部缺陷。

第一，材料表面缺陷主要影響汽車緊固件的連接能力、緊固效果，使不同結(jié)構(gòu)之間的摩擦力異于設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，從而引發(fā)結(jié)構(gòu)連接方面的問題。比如，汽車緊固件結(jié)構(gòu)物表面折疊、皺紋、裂紋、拉痕、碰傷等質(zhì)量問題會(huì)導(dǎo)致其與待緊固結(jié)構(gòu)表面接觸面積不足，能夠發(fā)揮的緊固作用也會(huì)因此下降。

第二，材料內(nèi)部缺陷主要是指汽車緊固件結(jié)構(gòu)物內(nèi)部存在質(zhì)量缺陷，并且在使用過程中因振動(dòng)、摩擦、擠壓等因素，導(dǎo)致缺陷被放大，進(jìn)而影響緊固效果。通常，材料內(nèi)部缺陷包括針孔、裂縫、氣泡等。此外，如果用于加工汽車緊固件的原料質(zhì)地不佳，則既會(huì)影響汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物的剛性，也可能誘發(fā)內(nèi)部缺陷或表面缺陷[4]。

2.2 加工工藝問題

加工工藝問題主要是指加工工藝不當(dāng)、工序不合理、參數(shù)不達(dá)標(biāo)等，進(jìn)而導(dǎo)致汽車緊固件失效，但這種問題比較少見。加工工藝問題可以分為鐓鍛缺陷、脫碳問題、熱處理不到位、氫脆問題 4 個(gè)方面。

第一，鐓鍛缺陷是指在汽車緊固件加工過程中，高溫影響下材料的變形抗力發(fā)生變化，但技術(shù)人員沒有準(zhǔn)確控制加工參數(shù)，導(dǎo)致合金等材料的變形抗力無法得到精準(zhǔn)管理，進(jìn)而影響使用性能，以致汽車緊固件在應(yīng)用過程中無法有效發(fā)揮緊固、連接作用。

第二，脫碳問題是指在熱處理過程中，汽車緊固件材料表面的碳易與爐內(nèi)的保護(hù)氣體 O₂ 和 CO₂ 發(fā)生反應(yīng)而導(dǎo)致部分或全部被消耗掉，造成表面含碳量低于芯部，形成半脫碳層或全脫碳層。同時(shí)，超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的脫碳層會(huì)降低螺紋強(qiáng)度并可能造成其失效。

第三，熱處理不到位也會(huì)導(dǎo)致緊固件失效問題，一般可分為淬火和回火溫度參數(shù)不當(dāng)、淬火時(shí)間不合理、淬火油應(yīng)用不當(dāng)?shù)?。比如，淬火油中含有水，則可能會(huì)導(dǎo)致淬火裂紋 ；熱處理溫度如果過低，則會(huì)導(dǎo)致汽車緊固件的硬度不高，進(jìn)而影響其使用質(zhì)量。

第四，除氫不到位可能會(huì)導(dǎo)致氫脆問題。一些使用過程中負(fù)荷較高的緊固件的氫脆敏感性往往較強(qiáng)，在加工過程中如果未能做好管理，結(jié)構(gòu)物中的氫元素含量較高，那么在持續(xù)應(yīng)用的過程中很容易因氫脆問題而出現(xiàn)結(jié)構(gòu)損傷，進(jìn)而影響汽車緊固件的緊固和連接效果，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)導(dǎo)致汽車緊固件失效。

2.3 疲勞使用問題

盡管很多汽車緊固件使用的材料質(zhì)量?jī)?yōu)良，加工工藝也比較完善，但依然存在失效風(fēng)險(xiǎn)，這往往與汽車緊固件的不合理應(yīng)用有關(guān)。比如，在頻繁啟停、快速制動(dòng)等因素的影響下，汽車制動(dòng)系統(tǒng)中的緊固件老化速度會(huì)明顯加快，失效的可能性也會(huì)大幅增加。對(duì)此，應(yīng)定期檢修、更換汽車緊固件，以免汽車緊固件出現(xiàn)老化過快的問題。

除過度使用、使用方法不當(dāng)、缺乏預(yù)防管理技巧之外，加工工藝缺陷也會(huì)導(dǎo)致汽車緊固件出現(xiàn)疲勞、失效問題。這涉及多方面因素，比如螺紋設(shè)計(jì)不當(dāng)、表面壓應(yīng)力不足、金屬流線設(shè)計(jì)不當(dāng)、頭桿連接處處理技術(shù)不佳、表面損傷、去應(yīng)力回火不到位、殘余拉應(yīng)力較大等，從而無法最大限度地保證汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物的性能，導(dǎo)致其在使用過程中出現(xiàn)性能異常，快速達(dá)到疲勞極限，引發(fā)失效問題。此外，在裝配汽車緊固件的過程中，如果扭力過大，會(huì)導(dǎo)致預(yù)緊力大于設(shè)計(jì)要求，進(jìn)而影響汽車緊固件的使用性能，甚至導(dǎo)致結(jié)構(gòu)物（如螺栓）出現(xiàn)裂紋，降低其抗疲勞強(qiáng)度，增加其失效風(fēng)險(xiǎn)。

2.4 檢驗(yàn)問題

檢驗(yàn)問題是指在汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物使用前、使用過程中，沒有通過有效檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)失效隱患，以致其投入使用后出現(xiàn)失效問題的情況，一般包括晶粒度檢驗(yàn)、螺紋精度檢驗(yàn)、重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物檢驗(yàn)等。

晶粒度檢驗(yàn)主要是為了了解合金類汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量，檢驗(yàn)其是否存在晶粒度過大的問題。在檢驗(yàn)不到位的情況下，將晶粒度過大的緊固件、結(jié)構(gòu)物用于生產(chǎn)過程，可能會(huì)加速其損耗，誘發(fā)失效問題。螺紋精度檢驗(yàn)與此相似。不適當(dāng)?shù)穆菁y精度會(huì)影響其使用性能，有可能導(dǎo)致汽車緊固件老化加快甚至失效。部分工作人員、機(jī)構(gòu)使用的檢驗(yàn)設(shè)備質(zhì)量不佳，無法真實(shí)反映汽車緊固件及其重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量情況，并且在檢驗(yàn)過程中缺乏對(duì)金相組織、力學(xué)性能等的檢測(cè)，可能會(huì)導(dǎo)致質(zhì)量存在問題的汽車緊固件、結(jié)構(gòu)物未被檢出，使得不合格品進(jìn)入市場(chǎng)。這類產(chǎn)品失效的風(fēng)險(xiǎn)往往較高。

3、 汽車緊固件失效問題預(yù)防措施

3.1 加強(qiáng)材料管理

材料管理是預(yù)防汽車緊固件失效問題的基礎(chǔ)性措施，包括原料檢查及緊固件結(jié)構(gòu)物管理。

第一，原料即用于制備汽車緊固件的各類金屬材料，原則上要求所有材料都從正規(guī)渠道購(gòu)買，擁有對(duì)應(yīng)的合格證書，不存在銹蝕、損壞等問題。在使用材料前，應(yīng)充分了解其性能情況，同時(shí)需要對(duì)制成后的各類結(jié)構(gòu)物進(jìn)行管理，使用抽樣檢查模式檢驗(yàn)汽車緊固件表面缺陷。抽樣率應(yīng)達(dá)到 6% 以上，即在 100 件汽車緊固件（或單一結(jié)構(gòu)物）中，至少選取 6 件進(jìn)行質(zhì)量分析，應(yīng)用磁力探傷法或熒光探傷法了解其表面是否存在折疊、皺紋、裂紋、拉痕、碰傷等問題。如果存在某種或某幾種問題，要根據(jù)探傷結(jié)果評(píng)估結(jié)構(gòu)物是否仍滿足設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)。

第二，結(jié)構(gòu)物內(nèi)部缺陷往往較為隱蔽，難以通過一般的觀測(cè)方式察覺。在實(shí)際工作中，可以加強(qiáng)復(fù)檢，并采用金相法等進(jìn)行質(zhì)地分析。在應(yīng)用所有材料之前，以及完成結(jié)構(gòu)物制作后，都需要進(jìn)行重復(fù)檢驗(yàn)，再采用金相法挑選并做二次檢驗(yàn)，兩次檢驗(yàn)的結(jié)果都滿足質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)后才可應(yīng)用于緊固件加工。

對(duì)于制作完成后的緊固件結(jié)構(gòu)物，可以采用無損檢測(cè)等方式進(jìn)行質(zhì)量分析，以抽樣的形式隨機(jī)選取若干待檢樣本，并根據(jù)檢測(cè)結(jié)果決定是否使用。

3.2 重視規(guī)范加工

加工工藝的控制集中于 4 個(gè)方面，即鐓鍛缺陷控制、脫碳管理、有效的熱處理、氫脆問題管控。

第一，在鐓鍛缺陷控制中，應(yīng)結(jié)合汽車緊固件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)確定加工材料及參數(shù)，如 GH159 合金。該材料是一種特殊冷變形強(qiáng)化高溫合金，應(yīng)用其制作緊固件結(jié)構(gòu)物時(shí)，應(yīng)避免加熱毛坯的時(shí)間過長(zhǎng)，以在加熱過程中減少頭部變形隱患。針對(duì)其他材料，也可采用類似思路對(duì)其進(jìn)行控制，從而減少鐓鍛缺陷，并做好鐓鍛工序的全程檢查和跟蹤。

第二，在防脫碳管理中，要遵循加工原則，在此基礎(chǔ)上結(jié)合材料特點(diǎn)對(duì)脫碳過程進(jìn)行控制、監(jiān)督，并且在加工時(shí)，要使用符合材料含碳量、處理標(biāo)準(zhǔn)的設(shè)備開展作業(yè)，同步做好爐內(nèi)碳勢(shì)控制，避免碳材料出現(xiàn)損失。

第三，在熱處理方面，應(yīng)在汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物制備前確定加工參數(shù)，尤其是淬火、退火工藝，以及冷卻介質(zhì)選擇。由于加工工藝參數(shù)具有一定的動(dòng)態(tài)性，所以應(yīng)確定可允許的參數(shù)波動(dòng)范圍，以使制成的成品總體符合質(zhì)量要求。在淬火方面，應(yīng)嚴(yán)格按照加工要求，避免淬火油中進(jìn)水，或者因過高、過低溫度影響制成物質(zhì)量，還應(yīng)跟蹤淬火過程，做好過程管理。在具體工作中，要根據(jù)材料的基本特點(diǎn)確定加工技術(shù)要求和具體參數(shù)，并對(duì)其加以控制，并且在真空熱處理模式下，還應(yīng)保證全程氣體保護(hù)工作質(zhì)量。

第四，氫脆問題管控主要是指在加工過程中，應(yīng)以標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)和工藝流程為基礎(chǔ)。通常，在完成加工后，可在恒高溫環(huán)境下（180 ℃）對(duì)高強(qiáng)度緊固件進(jìn)行除氫，根據(jù)材料類別的差異確定時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)，通常持續(xù) 1 ～ 4 h。對(duì)于一些使用要求較高的汽車緊固件，除氫時(shí)間可達(dá)到 4 h 以上，但不宜超過 8 h ；對(duì)于抗拉強(qiáng)度較高的緊固件，原則上應(yīng)增加去應(yīng)力回火工藝環(huán)節(jié)，并在完成鍍鋅作業(yè)后進(jìn)行除氫。

3.3 加強(qiáng)抗疲勞處理

汽車緊固件抗疲勞處理主要可從 3 個(gè)方面入手，即按照規(guī)范進(jìn)行設(shè)計(jì)、開展規(guī)范的裝配、保證使用合理得當(dāng)。

第一，在設(shè)計(jì)方面，可設(shè)計(jì)滾壓螺紋，提升螺紋牙底圓角半徑，采用滾壓螺紋提升汽車緊固件的抗疲勞性能。對(duì)于一些高強(qiáng)度的汽車緊固件及其結(jié)構(gòu)物，應(yīng)開展頭部金屬流線連續(xù)設(shè)計(jì)，提升其連接強(qiáng)度和抗疲勞性能。還可以冷滾壓工藝對(duì)頭桿連接區(qū)域進(jìn)行優(yōu)化，通過去應(yīng)力回火改善結(jié)構(gòu)剛性，并避免出現(xiàn)表面損傷問題。

第二，開展汽車緊固件裝配時(shí)，應(yīng)嚴(yán)格按照要求，根據(jù)設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)確定裝配的基本參數(shù)，避免過度增加裝配扭力，以免扭力過大導(dǎo)致緊固件出現(xiàn)結(jié)構(gòu)性損傷。

第三，汽車緊固件在應(yīng)用過程中會(huì)面臨使用疲勞問題，超過其使用壽命則有可能導(dǎo)致?lián)p壞、失效等情況。對(duì)此，可加強(qiáng)對(duì)汽車緊固件的日常管理，根據(jù)緊固件的使用情況建立周期檢修維護(hù)機(jī)制，在緊固件尚未出現(xiàn)失效問題、隱患之前，通過周期檢修加以預(yù)防，更換存在老化問題、損壞和失效隱患的緊固件或結(jié)構(gòu)物。同時(shí)，在日常工作中，要避免非必要的頻繁使用，以延長(zhǎng)汽車緊固件的使用壽命，減少不必要的損耗。

3.4 做好緊固件檢驗(yàn)

緊固件檢驗(yàn)屬于輔助措施，涉及晶粒度檢驗(yàn)、螺紋精度檢驗(yàn)、重點(diǎn)結(jié)構(gòu)物檢驗(yàn)等環(huán)節(jié)。通常，需要按照設(shè)計(jì)要求，在檢驗(yàn)工作中配置足夠的設(shè)備，確定檢驗(yàn)流程和標(biāo)準(zhǔn)，并在實(shí)際工作中具體了解汽車緊固件及結(jié)構(gòu)物是否存在晶粒度過大的問題，確保螺紋精度符合設(shè)計(jì)要求，以提升汽車緊固件的抗疲勞水平。在開展緊固件檢驗(yàn)工作之前，應(yīng)先制定檢查計(jì)劃、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，確定緊固件檢驗(yàn)的基本內(nèi)容、流程和方法，同時(shí)選取具有專業(yè)資質(zhì)、能力和經(jīng)驗(yàn)的人員負(fù)責(zé)檢查工作。在檢驗(yàn)工作過程中，可組織現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)督，要求負(fù)責(zé)檢驗(yàn)的人員根據(jù)檢驗(yàn)計(jì)劃逐一進(jìn)行緊固件質(zhì)量分析，每完成一個(gè)項(xiàng)目的檢驗(yàn)，應(yīng)記錄對(duì)應(yīng)的檢驗(yàn)結(jié)果，并形成書面文字，進(jìn)行簽字確認(rèn)。符合標(biāo)準(zhǔn)的緊固件可用于后續(xù)加工流程，而對(duì)于不符合標(biāo)準(zhǔn)的緊固件，應(yīng)寫明不合格的具體原因，并將其與其他緊固件分開存放，以待后續(xù)處理。此外，還可對(duì)金相組織、力學(xué)性能等進(jìn)行檢測(cè)，了解汽車緊固件及結(jié)構(gòu)物的質(zhì)量情況，避免不合格品進(jìn)入市場(chǎng)。

4、 結(jié)束語

汽車緊固件失效問題成因比較復(fù)雜，對(duì)失效問題加以預(yù)防、控制，可在一定程度上確保汽車緊固件的使用性能。大部分汽車緊固件的構(gòu)成是相同或相似的，所以其失效原因也比較相似，一般包括材料問題、加工工藝問題、疲勞使用問題及檢驗(yàn)問題等。但汽車緊固件失效具有一定的客觀性，難以從根本上杜絕，因此在實(shí)際工作中要針對(duì)問題成因開展針對(duì)性控制。比如，可加強(qiáng)材料管理、重視加工處理的規(guī)范性，同時(shí)加強(qiáng)抗疲勞處理并做好檢驗(yàn)工作，以使汽車緊固件失效問題發(fā)生率得到有效控制，保障機(jī)械結(jié)構(gòu)的整體使用性能。

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