扁圓頭方頸螺栓是一種常用的螺紋緊固件。螺栓材料為304不銹鋼,扁圓頭方頸螺栓具有優(yōu)異的耐腐蝕性、耐高溫性以及良好的力學(xué)性能,廣泛應(yīng)用于機(jī)械工程、交通工具、建筑工程和高速公路護(hù)欄等領(lǐng)域[1]。服役狀態(tài)下的扁圓頭方頸螺栓的失效嚴(yán)重威脅機(jī)械設(shè)備的運(yùn)行安全[2]。為此,對扁圓頭方頸螺栓的斷裂原因進(jìn)行分析,對于其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、制造工藝、質(zhì)量檢驗(yàn)和使用維護(hù)具有重要的意義。 

某設(shè)備在役304不銹鋼扁圓頭方頸螺栓在緊固使用一段時(shí)間后,再次正常緊固復(fù)檢時(shí)發(fā)生了斷裂現(xiàn)象。該批次扁圓頭方頸螺栓的制造工藝為：下料→成形→搓牙→洗光→成品檢驗(yàn)→包裝。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、斷口分析、金相檢驗(yàn)、金屬流線檢測、著色滲透檢測和力學(xué)性能測試等方法對螺栓斷裂原因進(jìn)行分析,并提出相應(yīng)的改進(jìn)措施與建議,以防止該類事故再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗(yàn)

1.1   宏觀觀察

斷裂扁圓頭方頸螺栓由桿部和頭部組成,二者通過方頸連接,斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂發(fā)生于螺栓頭部與方頸的連接處,斷口附近不存在明顯塑性變形、磨損、腐蝕等現(xiàn)象。 

圖  1  斷裂螺栓宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在扁圓頭方頸螺栓斷口區(qū)域取樣,采用直讀式光譜儀對試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 4356—2016 《不銹鋼盤條》對304不銹鋼的要求。 

1.3   斷口分析

在光學(xué)顯微鏡下觀察斷口,斷口低倍形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口平齊潔凈,表面金屬呈亮灰色,可見明顯的放射狀條紋,條紋收斂于斷口內(nèi)部(如圖中箭頭所示),斷面無明顯擠壓磨損或腐蝕現(xiàn)象。 

圖  2  螺栓斷口低倍形貌

為進(jìn)一步分析斷口微觀形貌,采用掃描電鏡(SEM)對斷口區(qū)域的A、B、C、D 4個(gè)部位進(jìn)行分析。螺栓斷口的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口總體呈明顯的解理斷裂特征,其中,僅D區(qū)可見較為明顯的韌窩特征[3]。 

圖  3  螺栓斷口的SEM形貌

1.4   金相檢驗(yàn)

用光學(xué)顯微鏡觀察斷裂螺栓頭部的縱截面,結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：頭部金屬流線連續(xù),且沿外形分布,斷裂處并非是螺栓頭部金屬流線的密集部位(變形最大區(qū)域)。 

圖  4  螺栓頭部縱截面微觀形貌

斷裂起始區(qū)的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：斷裂起始區(qū)無明顯的夾雜物、疏松等冶金缺陷。 

圖  5  螺栓斷裂起始區(qū)微觀形貌

螺栓斷口非金屬夾雜物微觀形貌如圖6所示,根據(jù)GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》規(guī)定,判定該非金屬夾雜物為D類細(xì)系0.5級,符合標(biāo)準(zhǔn)要求。 

圖  6  螺栓斷口非金屬夾雜物微觀形貌

1.5   金屬流線檢測

對同批次扁圓頭方頸螺栓試樣頭部進(jìn)行金屬流線檢測,螺栓試樣頭部金屬流線如圖7所示。由圖7可知：同批次扁圓頭方頸螺栓試樣的金屬流線相對于中心線基本對稱,流線清晰且連續(xù)完整,無不均勻和紊流的現(xiàn)象[4]。 

圖  7  螺栓試樣頭部金屬流線

1.6   著色滲透檢測

采用著色滲透檢測法對同批次扁圓頭方頸螺栓試樣進(jìn)行裂紋檢測,結(jié)果表明：螺栓頭部與方頸結(jié)合處不存在裂紋缺陷,排除了金屬原始裂紋導(dǎo)致螺栓斷裂的原因。 

1.7   力學(xué)性能測試

采用材料拉伸試驗(yàn)機(jī)對同批次的完好扁圓頭方頸螺栓試樣進(jìn)行室溫軸向強(qiáng)度測試,獲得抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等指標(biāo),結(jié)果如表2所示。斷裂位置并未發(fā)生在頭桿與方頸結(jié)合處,且斷口存在明顯的塑性變形,斷面與軸向呈45°角,判斷為正常的塑性斷裂。由表2可知：扁圓頭方頸螺栓材料的抗拉強(qiáng)度符合GB/T 3098.6—2023 《緊固件機(jī)械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》標(biāo)準(zhǔn)要求。 

2.   綜合分析

綜上所述,斷裂螺栓試樣的顯微組織、非金屬夾雜物、頭部金屬流線、冶金缺陷和化學(xué)成分均無異常。同批次螺栓試樣的金屬流線檢測、裂紋檢測結(jié)果均正常,抗拉強(qiáng)度、斷裂位置均符合相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)要求。 

扁圓頭方頸螺栓斷裂位置為頭部與方頸的連接處,斷口附近無明顯塑性變形。斷口平坦?jié)崈?可見明顯的放射狀條紋,條紋收斂于斷口內(nèi)部,說明斷裂起始于頭部的心部位置[5]。斷口呈大面積的解理斷裂特征,結(jié)合螺栓斷裂是發(fā)生在再次鎖緊的工況下,因此判定斷裂扁圓頭方頸螺栓的斷裂性質(zhì)為脆性過載斷裂。 

一般情況下,奧氏體不銹鋼發(fā)生過載斷裂時(shí)應(yīng)呈現(xiàn)韌性斷裂特征,即斷口微觀形貌以韌窩形狀為主[6－7]。因此,判斷螺栓斷裂形式屬于非正常斷裂,其原因與頭部斷裂起始區(qū)存在應(yīng)力集中有關(guān)。雖然在同批次螺栓試樣中未發(fā)現(xiàn)內(nèi)部金屬流線問題,但根據(jù)文獻(xiàn)[4]推斷,失效螺栓試樣的應(yīng)力集中主要由頭部斷裂起始區(qū)的金屬流線紊亂引起。 

3.   結(jié)論與建議

(1) 螺栓斷裂性質(zhì)為脆性過載斷裂。 

(2) 螺栓斷裂原因與頭部斷裂起始區(qū)存在應(yīng)力集中有關(guān),而造成應(yīng)力集中的原因主要為內(nèi)部金屬流線紊亂,建議后續(xù)增大螺栓金相檢驗(yàn)抽檢頻率,改進(jìn)螺栓的成形質(zhì)量。 

文章來源——材料與測試網(wǎng)