高强度螺栓断裂原因分析
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9高强度螺栓断裂原因分析
■ 王嘉畅，冯文冲，张海兵
摘要：针对10.9S级高强度螺栓失效问题，采用金相检验、化学成分分析和扫描电子显微镜及能谱仪等方法进行分析。结果表明：由于螺栓材料本身含有的氢在螺栓较大的安装应力下聚集，因此导致氢致延迟开裂，造成螺栓失效。关键词：高强度螺栓；氢脆；失效
据委托方介绍，来样为M20钢结构大六角头螺栓，等级为10.9S，材质为20MnTiB。该螺栓为舞台桁架联接螺栓，舞台于2012年竣工，在2015年12月1日检修时，管理人员发现剧院舞台有螺母掉落。该舞台桁架用于挂设剧院舞台幕布，由于桁架使用过程中，部分螺栓掉落，2016年3月2日施工单位进行检修并更换了19颗螺栓。现场采用高强螺栓轴力扭矩复合测试仪对舞台桁架的高强螺栓联接状况进行了检测，发现原有螺栓扭矩及预拉力基本符合规范要求，部分螺栓存在预拉力过大现象，部分螺栓螺杆有变形，无法将螺栓取出。此外，委托方未能提供螺栓具体生产工艺、现场安装等相关详细信息。为找到断裂原因，消除安全隐患，笔者对断裂螺栓进行了失效分析。1. 理化检验（1）宏观分析 对螺栓断口形貌进行观察，如图1、图2所示。螺栓大六角头部涂有灰色防锈漆，杆部呈黑色，螺栓断裂于距螺杆第2~3牙螺纹牙底，该部位应为螺母紧固界面处，无明显塑性变形。断口至螺杆间螺纹呈褐黄色，存在明显锈蚀痕迹。断面起伏较大，高度可达两牙高度，且有些锈蚀。断面颜色呈黑色和灰色两区域，黑色区域可见明显的放射线条纹，且汇聚于一侧螺牙底部，低倍下放大后可见一些闪光小刻面，呈脆性断裂特征。裂源两侧周向边缘存在剪切唇特征。灰色区域断口与轴向呈一定角度，断面较粗糙，为后续扩展断裂区域。宏观分析螺栓断裂模式为脆性断裂。（2）微观断口分析 将螺栓断口清洗后置于扫描电子显微镜下观察：①裂纹源区可见明显的放射线形貌，呈冰糖状沿晶断裂形貌，放大后晶面上可见鸡爪痕、微小孔洞形貌，断口可见大量沿晶二次裂纹形貌，呈氢致开
图1 螺栓宏观形貌
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10裂特征。裂纹源附近螺牙表面可见锈蚀孔洞，如图3~图8所示。②扩展区前期（裂纹源至螺栓心部区域）呈沿晶+韧窝断裂形貌，扩展后期（螺栓心部至瞬断区）为韧窝+沿晶特征。螺栓断裂机制为沿晶脆性断裂，呈氢致开裂特征。（3）化学成分检验 从螺栓断口下方取样进行化学成分分析，结果如表1所示。从化学成分分析结果可见，断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077—2015中20MnTiB的要求。光学显微镜下观察，结果如下：根据GB/T10561—2005/ISO 4967：1998（E）中的实际检验A法和ISO评级图进行评定：螺栓心部的非金属夹杂物级别评为A0、B0、C0.5、D0.5，材料纯净度较好（见图9）。螺栓心部显微组织为回火索氏体+铁素体，属正常组织（见图10）。图11、图12为裂纹源抛光态及显微组织形貌，从图中可见，裂纹源部位未见明显的非金属夹杂物聚集，腐蚀后无明显的热处理缺陷。断面以沿晶断裂形式扩展，断口未见脱碳及氧化特征。图13为断裂螺纹相邻牙底，未见裂纹及明显缺陷。（5）硬度检验 从断裂螺栓的断口下方附近取横向截面试样进行洛氏硬度试验，检验结果为37.6HRC，符合GB/T3098.1—2010中规定的32~39HRC要求。（6）低倍检验 分别在断裂螺栓断口下方及未使用螺栓相似部位截取横向低倍试样，根据标准GB/T 226—2015规定，经磨光后，使用1:1工业盐酸水溶液进图2 断口宏观形貌
图3 裂纹源低倍形貌（15×）
图4 裂纹源高倍形貌（50×）图5 裂纹源放大形貌（270×）
图6 裂纹源沿晶特征（750×）
图7 裂纹源沿晶特征（1200×）
图8 扩展后期韧窝+沿晶特征（1100×） 表1 螺栓断口化学成分（质量分数） （%）检验项目CPSSiMnTiB 检测值0.200.0200.0170.251.400.0460.0015标准值0.17~0.24≤0.030≤0.0300.17~0.371.30~1.600.04~0.100.0008~0.0035图9 心部抛光态（100×）（4）金相检验 从裂源及螺栓心部取纵截面试样，按GB/T13298—2015进行制样，随后在
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11 图10 心部显微组织（500×）
图11 断口抛光态（100×）
图12 断口显微组织（500×）2. 分析与讨论螺栓断口呈沿晶断裂特征，晶面上可见鸡爪纹、微小孔洞痕迹，呈氢致脆性开裂特征。氢致脆性开裂在高强度材料中较易发生，由于氢原子扩散到金属中，一段时间后在一定大小
图13 牙底抛光态（100×）行热酸蚀试验，与GB/T1979—2001中的评级图对比，结果如表2所示，形貌如图14所示。表2 低倍缺陷类型及级别 （级）样品中心疏松一般疏松锭型偏析断裂螺栓1.00.50
的应力作用下氢原子在晶界或材料缺陷处聚集成氢分子而产生压力，形成延迟微裂纹。经分析表明，送检断裂螺栓的氢致脆性开裂原因主要有：（1）材料 螺栓的强度越高，对氢脆的敏感性就越强。一般认为1000MPa是一个危险水平，即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐延迟开裂的性能相对较好，而当材料抗拉强度大于1000MPa时，延迟断裂敏感性较高。（2）环境 根据宏观检验发现，断裂螺栓断口附近锈蚀明显，故螺栓使用环境较为潮湿，在该条件下易于氢离子附着于构件表面，并向内渗入引起延迟断裂。（3）应力 金属材料受外力作用时，材料内部的应力分布是不均匀的，在材料外形迅速过渡区域或在材料内部缺陷和微裂纹处会产生应力集中，在应力梯度作用下氢原子在晶格内扩散或图14 断裂螺栓低倍酸蚀形貌跟随位错运动向应力集中区域。由于氢和金属原子之间的交互作用使金属原子间的结合力变弱，这样在高氢区会萌生出裂纹并扩展，导致了脆断。另外，部分螺栓存在预拉力过大现象，增加了样件的氢脆敏感性，符合延迟断裂特征。在后续使用过程中，需要对螺栓定期维护，若仍发现有螺栓断裂现象，建议更换该批次螺栓，并严格按标准要求进行安装施工。3. 结语所检M20钢结构大六角螺栓断裂原因：螺栓断裂机制为氢致脆性延迟断裂。参考文献：[1]桂立丰.机械工程材料测试手册（物理金相卷）[M].沈阳：辽宁科学技术出版社，1999.[2]任颂赞，张静江，陈质如， 等.钢铁金相图谱[M].上海：上海科学技术文献出版社，2003.[3]机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定委员会.金相检验[M].北京：中国计量出版社，2008.[4]赵亚楠，朱晓宇，刘瑕，等.固溶处理对304不锈钢晶界特征及腐蚀性能的影响[J].金属热处理，2018(11).
作者简介：王嘉畅、冯文冲，上海宝冶工程技术有限公司；张海兵，浙江运达风电股份有限公司。20190828
