高强度螺栓延迟断裂的预防措施

高强度螺栓在塔式起重机上的错误用法及预防对策摘要：对塔式起重机上高强度螺栓在使用上容易被忽视的几个问题的探讨关键词：高强度螺栓突发性事故随着城市的发展，高层建筑俱增，塔式起重机的应用越来越广泛。

然而，由于对高强度螺栓的不正确使用，使高强度螺栓疲劳断裂和连接失效成为塔式起重机较为隐蔽的事故形式，甚至在正常操作情况下发生倒塔事件，造成群死群伤的突发性事故。

错误做法：1、高强度螺栓的防松采用弹簧垫圈。

《建设机械与设备高强度紧固件技术条件》JG/T5057.40-1995的规定，“当使用8.8级或9.8级螺栓时，一般不允许采用弹簧垫圈防松。

使用其他性能等级的螺栓，绝不允许采用弹簧垫圈防松。

建议采取下述防松方法：采用双螺母防松，二个螺母应相同”。

大六角高强度螺栓的连接副是由一个螺栓、一个螺母、二个垫圈组成，安装时，螺栓和螺母每侧配备一个垫圈，但是，许多安装单位却额外增加了一个弹簧垫圈。

诸不知，高强度螺栓是靠施加很大的预紧力而产生作用并通过连接件间的摩擦力来传递外力的，如果加了弹簧垫圈，弹簧垫圈本身不能承受那么大的预紧力，会有被压碎的可能。

如此不但起不到防松的作用，反而会使高强度螺栓因为没有足够的预紧力而松动、连接失效，造成倒塔事故2、高强度螺栓重复使用。

《建设机械与设备高强度紧固件技术条件》JG/T5057.40-1995规定：“高强度螺栓、螺母，使用后拆卸下再次使用，一般不得超过两次。

且拆下的螺栓、螺母必须无任何损伤、变形、滑牙、缺牙、锈蚀、螺纹粗糙度变化较大等现象。

否则应禁止再用于受力构件的连接。

”高强度螺栓连接，是通过对螺栓本身施加很大的预紧力而使连接件间产生的摩擦力来传递外力的，这种情况下高强度螺栓受力较大。

因此，高强度螺栓一般是不允许重复使用的，只有在螺栓、螺母无任何损伤、变形、滑牙、缺牙、锈蚀、螺纹粗糙度变化较大等现象的情况下才允许使用，但不得超过两次。

然而塔式起重机在实际使用过程中却普遍存在设备从购置使用以来，其高强度螺栓一直被多次重复使用现象，使高强度螺栓失去了它应有的功效。

耐延迟断裂高强度螺栓钢的微观组织分析导语：螺栓是机械连接中常用的紧固件，而高强度螺栓则在要求更高的负载和抗震能力的工程中发挥着重要作用。

为了提高高强度螺栓的可靠性和安全性，近年来，研究人员开始关注耐延迟断裂高强度螺栓钢的微观组织分析。

本文将对该研究领域进行探讨，并分析其对螺栓性能的影响。

1. 耐延迟断裂概述耐延迟断裂是指材料在长期加载下出现的断裂现象。

在高强度螺栓中，延迟断裂会导致螺栓的失效，从而给工程结构带来极大的危险。

因此，研究耐延迟断裂高强度螺栓钢的微观组织分析具有重要的意义。

2. 高强度螺栓钢的微观组织特征为了研究高强度螺栓钢的耐延迟断裂性能，首先需要对其微观组织进行分析。

高强度螺栓钢通常具有细小的晶粒尺寸和均匀分布的碳化物。

其微观组织的稳定性和均匀性对螺栓的强度和韧性具有重要影响。

3. 碳化物的分布与断裂行为碳化物是高强度螺栓钢中的重要组成部分，它们的分布对材料的断裂行为起到关键作用。

研究表明，碳化物的均匀分布可以提高螺栓的韧性，减少断裂的可能性。

而碳化物的聚集和不均匀分布则会导致应力集中，从而降低耐延迟断裂的能力。

4. 晶界与断裂晶界是晶体中相邻晶粒的界面，它在高强度螺栓钢中起到了重要的作用。

研究发现，晶界的特性对螺栓的断裂性能有显著影响。

粗大、不稳定的晶界会导致应力集中和断裂的产生。

因此，通过合理控制晶界的特性，可以改善高强度螺栓钢的耐延迟断裂性能。

5. 材料局部疲劳与断裂材料的局部疲劳是耐延迟断裂的重要因素之一。

高强度螺栓钢在长期受力下容易产生局部应力集中，从而导致疲劳断裂。

通过对材料的微细组织进行分析，可以了解局部疲劳的形成机制，并采取相应措施提高螺栓的延迟断裂性能。

6. 微观组织的调控与优化基于对高强度螺栓钢微观组织的分析，可以针对其中存在的问题进行优化和改进。

例如，通过热处理、合金掺杂、控制冷却速率等手段，可以调控晶粒尺寸和碳化物的分布，从而提高螺栓的韧性和耐延迟断裂性能。

总551期2020年第29期（10月中）收稿日期：2020-06-15作者简介：苏沛春（1980—），男，工程师，从事路桥施工相关工作。

铁路钢桁梁桥高强螺栓断裂原因与防治措施苏沛春（中交第四航务工程局有限公司，广东广州510000）摘要：通过对存在高强螺栓断裂问题的高速铁路钢桁梁桥现场跟踪调查，从原材料、工艺流程、外界因素、应力等方面深入分析断裂成因，在此基础上提出有针对性的防治措施，以期为同类桥梁的设计、施工提供参考。

关键词：钢桁梁桥；高强螺栓；螺栓断裂；防治中图分类号：U24文献标识码：A0引言我国大跨度钢桁梁桥建设的高速发展伴随着一定程度的病害问题，部分钢桁梁桥工程出现了高强螺栓断裂现象，给行车安全带来了一定风险。

因此分析造成高强螺栓断裂的原因并找到防治措施，对我国桥梁工程的发展具有重要意义。

1基本情况目前我国钢桁梁桥节点或拼接处较多采用摩擦型高强螺栓连接，采用概率论为基础的极限状态设计方法，依靠高强螺栓紧固，采用在被连接件间产生摩擦阻力以传递剪力而将杆件连接成整体的连接方式。

根据调研（如图1所示），钢桁梁桥螺栓断裂的位置主要出现在连接主桁架的上平横纵联节点区域。

目前国内高强螺栓只有高强度大六角头螺栓连接副（10.9s,8.8s ）和扭剪型高强度螺栓连接副（10.9s ）两种产品，从设计角度看没有区别，仅施工方法和构造上稍有差别，现阶段铁路钢桁梁桥基本采用大六角头高强螺栓连接副（10.9s ）。

高强螺栓连接副的施拧采用特殊的专用扳手，分初拧和终拧，对于大型节点分初拧、复拧、终拧三步进行拧紧。

高强螺栓的螺杆、螺帽和垫圈都由高强钢材制作，常用45#钢、40硼钢、20锰钛硼钢、35CrMoA 等高强度材料制造。

2钢桁梁桥螺栓断裂的原因分析2.1高强螺栓自身材质缺陷虽然高强螺栓材料中各种成分符合国家相关标准要求，但在冶炼或浇注的钢液内不可避免会混入含镁、钙等的耐火材料碎块，镁、钙和材料内部的硫、锰、铬等向晶界的偏聚，导致在局部区域出现晶界脆化，其效果相当于潜在的裂纹，将成为螺栓断裂的源头。

高强度螺栓钢延迟断裂分析西宁特钢技术资料高强度螺栓钢延迟断裂分析一、高强度螺栓在实际运行中的受力情况及其性能要求螺栓在各种机构中起着连接、紧固、定位、密封等作用。

螺栓在安装时需要预先拧紧，因此都需要承受静拉伸载荷。

预紧力越大，连接强度和紧固、密封性就越大。

除受到轴向预紧拉伸载荷的作用外，通常还会在工作过程中受到附加的轴向拉伸(交变)载荷、横向剪切(交变)载荷或由此复合而成的弯曲载荷的作用，有时还受到冲击载荷的作用。

通常情况下，附加的横向交变载荷会引起螺栓的松动，轴向交变载荷会引起螺栓的疲劳断裂，而在环境介质的作用下轴向拉伸载荷则会引起螺栓的延迟断裂。

因此，在应用高强度螺栓时，对材料成分、冶金螺栓结构、制造工艺、安装及使用提出了更高的技术要求。

一般来讲，高质量、强度螺栓及其用钢应满足以下要求:(1) 高的抗拉强度，以便抵抗拉长、拉断、滑扣和磨损。

(2) 较高的塑性和韧性，以减少对偏斜、缺口应力集中和表面质量的敏感性。

(3) 对于在海边、河边、油田等潮湿大气或腐蚀气氛环境下工作的螺栓，要求螺栓材料具有足够低的延迟断裂敏感性，以保证螺栓工作时安全可靠。

(4) 对于承受交变载荷和冲击载荷的螺栓，要求具有较高的疲劳抗力和多次冲击拉伸抗力，以抵抗疲劳、多冲断裂。

(5) 对于在严寒地区或低温下工作的螺栓，还要求具有低的韧-脆转化温度。

(6) 中小直径螺栓往往多采用冷镦成形螺栓头和搓(滚)丝生产工艺，这就要求材料具有良好的冷镦等冷加工工艺性能。

二、高强度螺栓钢的延迟断裂及特征钢的回火马氏体组织具有良好的强度和韧性配合，而且还可以通过调整碳和合金元素等添加元素的种类、数量和热处理工艺而控制其强度，因此在合金钢中得到了十分广泛的应用。

然而回火马氏体钢在自然环境下易发生延迟断裂，且延迟断裂敏感性随着强度的提高而增大。

同时，高强度螺栓属于缺口零件，具有很高的缺口敏感性，容易在缺口集中部位如杆与头部的过度处或螺纹根部产生延迟断裂。

钢结构工程中螺栓连接的质量通病及预防措施
1、扭矩不准
（1）产生原因
扭矩扳手未经校正；紧固工艺不合理。

（2）预控措施
对扭矩扳手必须定期矫正，其偏差值不大于5%。

不重合的螺孔应用圆锉找正，或用冲子将孔位找正，确保孔壁对螺栓杆不产生摩插和挤压。

初拧要求不小于施工紧固力矩的25%，终拧时要求达到设计的紧固力矩数值。

紧固顺序为先中间，后边缘，先主要部位，后次要部位，先除拧，后终拧。

扭剪型高强度螺栓尾部卡头被拧断，表示终拧结束。

装配面应保持干净，不得在雨雪天安装高强度螺栓。

2、连接板拼状不严密
（1）产生原因
连接板翘曲变形接触面有杂物。

（2）预控措施
连接钢板应平直，如有变形应及时矫正后，方可使用。

连接型钢或零件的平面坡度大于1：20时，应放置斜垫片支垫。

连接板间隙应按规定的允许间隙进行调整，拼装应严密。

3、丝口损伤
（1）产生原因
丝口严重锈蚀，螺纹间有浊污杂质。

（2）预控措施
螺栓在安装前应经认真检查、清洗和除锈后，作好预配工作。

严禁强行将螺栓打入螺孔。

高强度螺栓应将配套的连接件（螺栓、螺母和垫圈）放入同一包装内，避免混用，损伤丝口。

4、装配面不洁净
（1）产生原因
构件表面有锈蚀、油污等杂物。

孔壁有焊瘤和毛刺。

（2）预控措施
认真清除表面，确保表面干净。

螺栓在使用前必须进行除锈处理。

配合面的处理应考虑施工安装顺序进行，防止重复处理；吊装前的处理必须干净。

螺栓装配面均应达到严密与紧固。

利用纳米化技术改善耐延迟断裂高强度螺栓钢的机械性能纳米化技术在材料科学领域具有广泛的应用前景，可以通过改变材料的微观结构，来显著改善材料的机械性能。

在高强度螺栓钢的应用中，耐延迟断裂是一个重要的性能指标。

本文将探讨如何利用纳米化技术来改善耐延迟断裂高强度螺栓钢的机械性能。

首先，我们需要了解高强度螺栓钢的耐延迟断裂机制。

高强度螺栓钢常常遭受到复杂的应力环境，如拉伸、剪切和扭转等。

这些应力会导致螺栓表面的缺陷形成和扩展，最终引发断裂。

因此，提高高强度螺栓钢的抗断裂能力是关键。

纳米化技术可以通过调控材料的晶粒尺寸和晶界结构，来改善其机械性能。

首先，通过降低晶粒尺寸，可以提高材料的屈服强度和硬度。

较小的晶粒尺寸会限制位错滑移和晶界移动，从而增加材料的塑性变形能力，降低疲劳开裂的敏感性。

同时，纳米化技术还可以改善材料的晶界结构。

晶界是位错和原子的交错区域，通常是材料的强度和韧性的主要起因。

晶界的性质与材料的断裂性能密切相关。

通过纳米化技术改变晶界的组织结构，可以增强晶界的稳定性和阻止位错的扩展。

除了纳米化技术，还可以利用表面改性技术来进一步改善高强度螺栓钢的机械性能。

如利用化学镀、电化学处理等方法，可以在材料表面形成一个致密的保护层，提高钢材的疲劳寿命和耐腐蚀性能。

此外，纳米化技术还可以应用于高强度螺栓钢的涂层改进。

通过在材料表面涂覆纳米材料，可以增加涂层与基材的结合强度，提高材料的耐磨性和抗腐蚀性能。

同时，纳米涂层还可以减小摩擦系数，降低螺栓的摩擦损耗，并且提供更好的自润滑性能。

尽管纳米化技术在改善高强度螺栓钢的机械性能方面具有潜力，但仍然面临一些挑战。

首先，纳米结构的稳定性是一个问题。

在高温和高应力条件下，纳米晶体的晶粒会发生再长大和结晶，从而导致材料性能的下降。

因此，研究如何稳定纳米结构，是进一步推动纳米化技术应用的关键方向。

其次，纳米化技术的大规模制备和成本问题也需要解决。

纳米化技术要求对材料进行微观调控，需要精密的加工和控制手段。

高强度螺栓延迟断裂原因与预防方法穆金禄中铁大桥科学研究院有限公司目录前言 3一、建立高强度螺栓的断裂判据 4二、高强度螺栓延迟断裂的原因 14三、桥梁高强度螺栓断裂的趋势 18四、延迟断裂的高强度螺栓断口分析 19五、完善高强度螺栓的断裂判据 22六、预防高强度螺栓延迟断裂的方法22附：公式推导及专家对试验方法的审查意见 24前言桥梁上的高强度栓螺栓（以下简称高栓）都发生了不同数量的延迟断裂，高栓延迟断裂的原因主要有应力腐蚀开裂和氢脆等原因引起的高栓脆断。

发生延迟断裂的高栓长度绝大多数是90mm及以下的高栓；如南京某桥从1969年建成到1987年11月共断了127个高栓，其中：100mm的1个、90mm的4个其余122个是75mm的高栓[1]；高栓断裂的部位大都断在丝扣处、且主要断在螺母下第一扣处。

若高栓的延迟断裂主要是由氢脆等原因引起的话，其断裂的长度范围和断裂的部位都应该是随机的，所以高栓的延迟断裂主要原因是由应力腐蚀开裂所引起的延迟断裂，氢脆和其它原因引起的脆断为次要原因。

本人用断裂力学的柔度标定法做高栓的柔度标定时发现：高栓的形位公差会使高栓承受一个由附加弯矩差生的弯曲拉应力，该拉应力与高栓预拉力的拉应力叠加后，若超过了其抗拉强度，就会在高栓拉应力最高处的局部开裂，此后高栓即开始了应力与腐蚀开裂的进程；试验还发现高栓的强度越接近高栓国标强度的上限、高栓的综合力学性能降低的越多、高栓断裂率也越高。

此外，用光弹性材料制成的螺栓做光弾试验，由其“纵向冻结切片”等差线图得知：螺母下第一扣处的应力集中系数最高，所以高栓大都在此处断裂。

一．建立高栓的断裂判据（一）高栓的病害与试验研究1.高栓病害情况介绍1961年我国用高栓在广西修建了第一座栓焊梁桥——雒容大桥，此后修建的各座大桥的高栓都发生了不同程度的延迟断裂。

1973年铁道部组织相关单位对已建的铁路桥梁和成昆铁路新建的多座栓焊梁桥做了调查，调查结果是各桥高栓的平均断裂率为2‰上下，断裂高栓的长度绝大部分是90mm 及以下的短高栓；断裂的高栓大都断在丝扣处，且主要断在螺母下第一扣处。

螺栓断裂原因分析及预防摘要：本文通过对失效螺栓及同批次的零件进行理化分析和无损检测。

对断裂件进行了宏观、微观断口观察、金相组织检查、硬度、化学成分、破坏拉力等一系列试验，经分析找出螺栓失效原因，并提出预防措施。

关键词：螺栓断裂回火脆化螺栓作为飞机上重要的紧固件，其发生断裂危害较大。

我厂修理过程中使用的螺栓主要为M4、M5、M6、M8和M10等规格，然而在某产品装配和停放过程中，某批次30CrMnSiA M8的螺栓先后发生脆性断裂。

引起工厂高度重视，因为螺栓发生脆断，不论是氢脆断裂，还是热处理造成的脆性断裂大都与“批次性”问题有关，涉及数量多，危害大，组织专业人员对螺栓在装配过程中及装配一段时间后发生断裂的原因进行了分析，并对后续的预防工作，提出了建议和方案。

1 宏观、微观检查对断裂螺栓进行宏观观察：发现断裂位置接近于第一扣螺纹处见（图1）。

断裂处螺纹表面未发现有明显的机械接触痕迹，如压坑、啃刀、划伤等表面缺陷，也未发现热处理表面烧蚀痕迹、螺纹变形等现象，没有局部麻点、剥蚀等缺陷。

断裂螺栓螺纹牙底呈线性起源，放射棱线粗大，断口附近无明显宏观塑性变形，断口齐平，呈暗灰色，断面粗糙，具有金属光泽（图2）。

图1断裂螺栓图2螺栓断口图3 螺栓整体形貌对裂纹断口进行观察，断口特征呈现以沿晶为主＋韧窝的混合断裂形貌，且断口源区未见冶金和加工等产生的缺陷。

对同批次的螺栓抽样进行了磁粉检测，在螺纹的根部没有发现表面或近表面裂纹，对螺栓进行X射线检测，也没有发现内部缺陷。

同批螺栓见图3。

2 材质检验2.1成份分析抽取同批次的螺栓去掉镀层后制取化学粉末，采用碳、硫联合测定仪对碳、硫含量进行了检测，利用QSN750光谱仪对其它元素进行了检测，结果见(表1)，螺栓的化学成分符合技术要求，但含碳量较高。

表1 化学成份检测结果表2.2 金相分析在靠近断口位置切取金相试样，镶嵌、磨抛、腐蚀后，显微镜对试样进行组织观察，螺栓显微组织为较粗大的回火马氏体（图4）。

高强度螺栓钢的耐延迟断裂研究分析作者：王文娟来源：《科技创新导报》2011年第35期摘要:螺栓钢高强度化过程中延迟断裂现象突出。

分析延迟断裂的产生机理,重点阐述氢脆过程中材料的成分、微观组织、介质环境和应力集中的影响作用,通过材料搜集和对此分析,从材料合成与加工工艺出发总结改善高强度螺栓钢敏感性措施。

关键词:高强度螺栓钢延迟断裂研究分析中图分类号:TG142.41 文献标识码:A 文章编号:1674-098X(2011)12(b)-0004-011 延迟断裂概念延迟断裂是在静止应力作用下的材料,经过一定时间以后突然脆性破坏的一种现象。

材料的断裂形式很多,如材料在拉伸时的韧性断裂;在低温下使用时的低温脆性断裂;在高温和应力共同作用下经过缓慢变形而断裂的蠕变断裂以及在交变载荷作用下的疲劳断裂等。

延迟断裂与韧性断裂、蠕变断裂不同,前者属于脆性脆性断裂,而后两者属于韧性断裂。

延迟断裂与低温脆性断裂、疲劳断裂也不同,前者是在常温和恒定应力下所发生的断裂,后两者一个是在低温下的断裂,另一个是在交变载荷下的断裂[1]。

2 产生机理及影响因素2.1 产生机理文献[1]分析脆性断口位置上氢的富集是导致延迟断裂的主要原因。

零件所含氢原子在应力诱导下扩散进入应力高度集中的区域逐渐聚集,达到一定浓度时诱发裂缝,裂缝成长穿过氢浓度集中区时便停止长大。

等氢原子在裂缝前沿应力集中区重新聚集达到临界浓度,裂缝又开始长大。

如此循环,直到发生突然的一次性断裂。

氢的富集主要是两种情况,一种是由外部介质环境倾入的氢引起的。

南京汽车研究所在自制的延迟断裂试验装置上对螺栓进行试验。

对3%(容积分数)NaCl水溶液和水两种介质里的螺栓进行加载。

试验结果同样的载荷,3%NaCl水溶液介质中的螺栓在光杆部位发生了断裂,而水中的螺栓没有断裂。

表明:由于介质环境的不同,3%NaCl水溶液中的螺栓比水中的更易发生延迟断裂。

另一种是工艺过程中氢的入侵,如酸洗、电镀等处理,侵入钢中的氢在应力的作用下向应力集中处集中而引起了延迟断裂。