螺栓腐蚀失效分析

小小的螺栓虽不起眼，但它作为串联起汽车关键零部件的紧固件，一旦腐蚀断裂失效，轻则汽车故障，重则出现人员伤亡。

近日，《国家市场监督管理总局》网站披露，特斯拉汽车（北京）有限企业向国家市场监督管理总局备案了召回计划。决定自2020年6月7日起，召回2016年4月15日至2016年10月16日期间生产的部分进口Model X系列汽车，共计3183辆。

本次召回范围内的部分车辆存在长期暴露于强效除冰盐等高腐蚀的环境时，将转向机电机固定在转向机壳体上的螺栓可能被腐蚀并断裂，造成转向机电机发生移位、传动皮带打滑，从而导致转向助力减弱或丧失，可能会增加车辆发生碰撞的风险，存在安全隐患。下面本文将从特斯拉召回为例，分析螺栓断裂失效产生的原因、螺栓选择和装配应注意什么。

特斯拉将为召回范围内的车辆更换新的转向机钢制螺栓，并在转向机电机壳体以及电机固定螺栓上增加防腐蚀涂层；如发现固定螺栓损坏或者在拆卸过程中受到损坏则免费更换转向机。

据外国媒体报道，美国时间2020年2月12日，特斯拉企业决定在北美召回1.5万辆ModelX，起因是该款车型存在失去转向助力的隐患。特斯拉官方称，本次召回适用于2016年10月中旬以前生产的大多数ModelX车型，之后生产的则不受影响，共涉及14193辆美国汽车和843辆加拿大汽车，暂不涉及中国市场。

这并非特斯拉第一次因转向助力隐患召回产品

2018年初，特斯拉宣布，由于动力转向系统故障，将在全球范围召回12.3万辆Model S轿车。召回范围覆盖在2016年4月前出厂的所有Model S 轿车。而导致召回原因是，特定螺栓在冰冷气候下腐蚀可能导致动力方向盘失灵。而在冰冷环境下，道路上被大量泼洒用于融雪的路盐可能加速问题部件的腐蚀速度。

由上述召回车辆的出厂时间大家不难发现，2018年，特斯拉首次因特定螺栓召回时将范围圈定为2016年4月前出厂的所有Model S 轿车，但实质上2016年4月15日至2016年10月16日期间生产的部分Model X系列汽车也存在同样的问题，而这些车辆带着安全隐患又继续行驶了两年时间，时至今日问题才被发现得以公布。

造成同样问题二次召回的局面，究竟是特斯拉首次召回时刻意隐瞒其他车辆问题，还是企业对其他产品相同潜在问题排查不利，大家尚无从知晓。

值得庆幸的是目前尚无报告称因上述问题造成严重后果，但特斯拉作为集现代先进科技于一身的电动汽车制造商，在小小的螺栓上“栽倒”两次，难免让外界对特斯拉在品控及产品潜在风险防控方面的能力产生质疑。

1 特斯拉螺栓断裂分析

（1）召回螺栓连接部位说明

本次召回是因为电子助力转向机壳体连接螺栓的问题，召回螺栓的应用部位如下：电子助力转向机、转向机电机、转向机电机连接螺栓和转向机电机与转向机壳体装配后连接螺栓孔。

（2）召回可能原因分析

从召回说明中可以看出连接螺栓材质为铝合金，电机和齿轮箱的壳体也都是铝合金材质，正常情况下这种材质的螺栓是不会容易造成腐蚀的。但召回说明中提及是由于融雪剂造成的腐蚀，使螺栓造成断裂。

根据model S的特斯拉工程师的说明，融雪剂中特别是经常使用钙盐或镁盐而不是氯化钠（食盐）会造成更大的腐蚀。

融雪剂主要分为两大类：

一类是：以醋酸钾为主要成分的有机融雪剂，虽然这一类融雪剂融雪效果好，没有什么腐蚀损害，但它的价格太高，一般只适用于机场等地； 

另一类是：氯盐类融雪剂，包括氯化钠、氯化钙、氯化镁、氯化钾等，通称作“化冰盐”。它的优点是便宜，价格仅相当于有机类融雪剂的1/10，但它对大型公共基础设施的腐蚀是很严重的。

根据王树轩等撰写的论文《氯盐型融雪剂碳钢腐蚀性的测定新方法》，当配置成溶液浓度低于4％时 ，腐蚀物失重率为CaCl2>MgCl2 >NaCl，因此当浓度低于4%时，钙盐和镁盐的融雪剂会引起更大的腐蚀。

这个螺栓的连接装配后，基本没有外露部分，原则上不会造成螺栓本身的腐蚀。分析可能的原因是融雪剂会渗入到螺纹孔中，造成螺纹、螺纹孔的腐蚀，特别是螺纹孔腐蚀后，如果螺纹孔的设计啮合长度又比较短，可能就会造成螺纹孔的滑牙，或者即使不滑牙也会引起预紧力的下降，在长期的疲劳载荷作用下会导致螺栓的疲劳断裂。

从召回措施说明中采用密封剂来对螺栓头部、电机与齿轮箱壳体以及他们的接触面，这样就会减少腐蚀，特别是螺栓头与齿轮箱壳体、齿轮箱壳体与电机壳体之间的腐蚀。

从这些措施中也可以看出实际上螺栓本身设计或质量都是没有问题的，主要是由于被连接件可能会产生腐蚀，特别是接触面之间腐蚀，加上齿轮箱壳体法兰壁厚比较薄，造成被连接件的刚度比较大，如果在接触面出现一定的腐蚀后，被连接件夹紧长度出现很微小的变化，也会造成预紧力的下降，从而在疲劳载荷作用下就会产生结合面开口的问题，从而造成较大的疲劳应力，螺栓有些能就会出现疲劳断裂。

另外，此处通常采用钢制8.8级螺栓，而特斯拉说明中采用铝合金螺栓，如果与通常的8.8级螺栓规格一致的话，可能会造成夹紧力不足；

如果与8.8级螺栓规格采用更大一级规格的话，如采用M8的规格，而其他零件采用共用零件，借用其他车型零件的话，这样就会造成铝合金被连接件的壁厚变薄，从而会引起强度不足等一系列的问题。

（3）总结

此处转向机电机安装螺栓召回的主要原因是：由于融雪剂的作用造成被连接件，特别是结合面之间出现一定的腐蚀作用，造成被连接件夹紧长度微小的减小，从而减低螺栓的预紧力，最终在疲劳载荷作用下，产生螺栓的疲劳断裂。

通常，此处螺栓都是采用8.8级钢制螺栓，特斯拉采用铝合金螺栓，可能会造成螺栓强度低，预紧力不足，在外部载荷作用下，会造成被连接件的开口，从而产生较大的疲劳应力，可能引起螺栓的疲劳断裂。

还有一个可能原因是：被连接件借用现有成熟零件，更大的铝合金螺栓造成啮合长度不足，或者螺纹孔加大后壁厚变薄造成强度不足。

2 常见紧固件失效分析

（1）通常紧固件的失效，包括下面几种：

① 装配拧拉断裂；

② 螺纹受剪切力拧断；

③ 应力集中部位使用后断裂；

④ 疲劳断裂；

⑤ 延时断裂；

⑥ 零件扭矩报警；

⑦ 螺纹滑牙。

（2）失效产生的原因，来源于下面三个方面之一或综合在一起：

① 紧固件制造过程的质量问题导致紧固件失效；

② 紧固件选配或部件的使用问题（包括人为的）导致紧固件失效；

③ 紧固件装配问题导致紧固件失效。

（3）下面先举几个大家日常见到的紧固件失效例子：

1）为了确定一个产品设计是否可靠，有很多方法可以进行破坏性测试来验证确认。通常很多生产厂最喜欢的是，有意地在受控环境中（给定工况和载荷谱）破坏一个组件（例如试验到紧固件断裂为止），以确定一个或多个组件（包括紧固件）的性能，最终获得一些导致产品失效的原因。这方面导致的紧固件失效是人为有意导致的，这种方式及结果是否完全合理不好简单评价。

2）还有消费者有意无意地经常性滥用产品的问题。举个例子来说，一个人花了更多的时间在一个低价的桌上摆弄他的沉重的公文包和行李箱，而不是在桌子上工作。不久，支撑桌子的紧固件就会松动或破裂而失效，这种紧固件故障可能导致人身伤害，但制造商不太可能召回产品，因为是客户使用不当导致了问题。

3）沃尔沃汽车在2017年3月召回了三种车型，原因是用于固定侧帘安全气囊的螺栓出现故障。固定安全气囊的螺栓制造过程质量没有有效管控，可能会因内部氢脆而迅速断裂。沃尔沃工程师们认为，整个安全气囊设计结构上是合理的，但由于紧固件制造过程产生的潜在缺陷导致需要对整个气囊总成进行更换。

4）松动的紧固件也可能最终失效。两年前，越野车制造商北极星不得不召回所有的指挥官车型，因为输入轴紧固件松动，并允许轴沿动力转向花键的长度方向移动。在极端情况下，这种移动可能导致轴与花键完全分离。

5）通用汽车企业的工程师们在2014年发现了几个车型的紧固件松动，导致该企业今年召回了500000多辆汽车。雪佛兰黑斑羚有一个“强力定型”的紧固件，没有拧紧到规范要求的扭矩。GMC全地形车、别克君威、长曲棍球和凯迪拉克SRX前排座椅和乘客座椅自由地上下移动导致一次撞车，三人受伤。

据统计，在95%的故障中，紧固件在安装或维修过程中出了问题，另外5%是因为使用了错误的紧固件。

（5）从紧固件的制造和装配过程看失效原因

紧固件与所有其他制造产品有一个共同点：制造控制得越好，性能越好。在制造过程中，有几个因素影响紧固件质量：

1）如果温度达到700摄氏度左右，在热处理过程中可能发生金属脱碳，而且炉内没有足够的保护气氛。这可能会导致螺纹处变软脱落。

2）淬火和回火（或拉伸）是钢紧固件最常用的热处理工艺之一。紧固件应在从淬火中取出后和完全冷却前几分钟内进行回火。否则可能导致淬火开裂、过早失效或使用寿命短于正常使用寿命（见图1）。

图 1

3）在紧固件头部成形过程中，金属的晶粒流线在正确的方向上是很重要的。向螺栓头部与杆部交界处的圆角处急剧移动的晶粒流线不能产生良好的流动（见图2）。这可能会使紧固件在安装过程中头部容易断裂。

图 2 在头部成形过程中，金属的晶粒流线向正确的方向成形是非常重要的。左边的图像表示符合SAE USCAR8规范的可接受颗粒流。

大家在制造过程中需要检查紧固件，以确定合适的晶粒流动模式，检查员用盐酸和水将样品紧固件的头部分段煮沸1分钟，这样就可以很容易地评估晶粒的流动。例如，大家的汽车客户使用的所有头螺栓和螺钉必须满足SAE USAC8规范的晶粒流动模式。

4）当扭矩太大时，靠近头部的螺纹太近的话会增加头部的压力。这种情况也可能导致从头到杆部的失败。因为这个缺陷会增加径向应力，当它出现在紧固件中时会加速氢脆（见图3）。

图 3  氢脆是紧固件失效的常见原因。照片中的箭头表示荷载应力区域。

当氢在紧固件电镀过程中被吸附在钢中并沿晶界移动到应力集中时，会发生内部氢脆。这可能会在负载下导致突然的灾难性故障。

5）大多数螺纹紧固件都经过电镀或保护涂层处理，以防止生锈或腐蚀，然后根据ASTM B117（盐雾试验）测试其抗腐蚀性，这一过程可能导致保护涂层的破坏。

6）在最终测试和装配的过程中，每个紧固件都会遭受一些或多或少的破坏，导致保护涂层可能会受损。在使用过程中可能出现过早的红色（氧化铁）锈蚀。

7）另一个常见的问题是浸渍旋涂。它提供了极好的防腐蚀保护，但当过多的电镀填充小螺钉的头部时，可能会导致不能顺利的钻孔。

紧固件的几何结构、材料、热处理、表面处理和其他因素都会影响其从装配到安装产品的使用寿命期间的性能，因此，应始终将紧固件视为工程部件而不是简单的标准件。

3 紧固件选择建议

高质量的紧固要求紧固件与所连接的材料以及紧固件（如果是螺栓）与螺母完美匹配。例如，使用带有5级螺母的8级螺栓将产生低于预期的夹紧力。

由于产品小型化，正确的紧固件选择比以往任何时候都更加重要，紧固件处理不仅要相同的负载，还要在更小的空间内使用更轻、更薄的材料。

（1）不建议重复使用，重复使用的螺母上的螺纹比配对螺栓上的螺纹稍软，此外，由于螺纹摩擦增加，每次额外使用时，这些螺纹都会被压缩并不断失去夹紧载荷。您可以看到这种情况对车轮螺柱的影响，这些螺柱通常在行驶120000英里左右后失效。

（2）建议不要在同一部件中使用不同类型的螺栓或过长的螺栓。在前一种情况下，硬度较高的紧固件最终将承载大部分载荷。太长螺栓上的螺纹在连接处的减震会相对较少，实际上会导致该区域过早的金属疲劳。

（3）美学是一个合理的考虑，制造商通常希冀紧固件头能增强组装产品的外观。例如，哈雷戴维森使用镀铬和不锈钢螺母和螺栓组装摩托车链轮、控制台和空气滤清器。这些紧固件必须仍然能够抵抗振动和环境湿度。

（4）制造商防止紧固件失效的另一种方法是只购买完全符合所有设计规范的紧固件。几年前，波音企业开始更加严格地实行其拒绝向企业供应所有不合格紧固件的政策。此举是对美国联邦航空局（FAA）计划罚款波音275万美金的回应，原因是该企业2008年在777型飞机上安装了不合格的紧固件。

4 紧固件的装配注意事项

正确的制造和选择是防止紧固件失效的重要第一步。拧紧过程中确保达到规定的要求（很多情况下特别是野外维修维护都可能会出现达要么不到规范要求要么过度拧紧），并保持紧固件螺纹完整性。

（1）过度拧紧可能导致装配过程中紧固件断裂，这是显而易见的，也可能导致螺纹剥离，这可能不是那么明显。后者特别危险，因为螺栓连接的完整性可能会受到损害，组装人员无法检测到。

（2）正确理解紧固件的润滑性（摩擦和扭矩系数等）有助于最终用户在使用扭矩时获得最佳夹紧载荷。然而，紧固件上不需要的润滑剂，如装配工手中的一点油，可能会导致过紧。这会通过增加夹紧力来改变连接处的扭矩张力值。当紧固件未充分拧紧至较低的夹紧载荷时，超过该夹紧载荷的周期性或波动性载荷可能很快导致疲劳。

（3）未拧紧的紧固件承受的外部载荷比预期的要大。可能先出现一些小的异常噪音如吱吱声和嘎嘎声，一直到灾难性的疲劳失效。

（4）拧紧不足也有可能是由于嵌件松弛造成的。例如，当螺栓嵌入软材料中时，无法完全压紧连接处。螺母装配不当是拧紧不足的另一个原因。当螺母拧下得太快时，会产生反弹效应，拧紧处会稍微回弹松动。此外，由于螺栓长度范围内的扭转性松弛，拧紧螺栓头部而不是螺母会减少10%到15%的夹紧载荷。

（5）螺纹需要尽可能保持清洁，尽管有少量润滑剂，以便于安装和拆卸。即使螺纹上的微小颗粒物也会降低紧固件在安装过程中的摩擦系数。这会增加结合处张力和应力，使紧固件容易发生故障。紧固件摩擦系数平均为0.15，但根据润滑剂和紧固件镀层的不同而有所不同。

（6）有时可以通过不同角度重新装配零件来修复螺纹错扣。但是，如果螺纹几何形状不准确，则可能需要修理或更换零件。如果不修复螺纹错扣问题，紧固件可能无法安装到正确位置，导致螺纹将无法承受规定的夹紧力。

（7）当压力和摩擦导致螺栓螺纹卡在螺母或螺纹孔的螺纹上时，就会产生磨损。如果紧固件因磨损而卡住，则通常需要切断螺栓或拆下螺母的情况下才能完成拆卸。