摘 要:某公司一戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯螺栓發(fā)生斷裂失效,采用宏觀分析、化學(xué)成分分析、金相分析、 硬度測試、斷口分析等方法對螺栓斷裂原因進(jìn)行了分析.結(jié)果表明:螺栓斷裂主要是因為螺栓部分 新鮮表面暴露在空氣中,在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下,應(yīng)力集中的螺栓根部開始萌生裂紋, 裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展,最終造成一次性斷裂. 

關(guān)鍵詞:鋼結(jié)構(gòu);螺栓;斷裂;腐蝕;應(yīng)力集中 

中圖分類號:TG１１５;TU３９１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１８)１０Ｇ０７６５Ｇ０４

戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯具有強(qiáng)度高、自重輕、施工速度 快、抗震性能好、便于安裝和拆卸等特點;同時戶外鋼 結(jié)構(gòu)樓梯在制作安裝時,表面進(jìn)行了噴塑、浸鋅或烤 漆等技術(shù)處理[１],因而還具有造型美觀、價格適宜、經(jīng) 濟(jì)實用、防臺風(fēng)、隔熱、隔音、保溫、防潮等特點.

某公司在對戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn), 一固定螺栓發(fā)生斷裂失效.斷裂螺栓標(biāo)稱材料為 ２０MnTiB鋼,規(guī)格為 M２０mm×７０mm,性能等級 為１０．９S,為高強(qiáng)度螺栓.該螺栓作為緊固件應(yīng)用 于戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯,如圖１所示,于２０１６年１２月發(fā) 生斷裂,累計使用時間約為２a(年).高強(qiáng)度螺栓其 抗拉強(qiáng)度大,表面硬度高,力學(xué)性能好;熱處理一般采用調(diào)質(zhì)處理,即淬火＋高溫回火;表面處理常采用表面磷化或者表面氧化.該斷裂螺栓熱處理工藝為調(diào)質(zhì)處理,表面處理工藝為發(fā)黑處理.為查明該螺 栓斷裂失效原因,筆者對其進(jìn)行了檢驗和分析. 

１ 理化檢驗

１．１ 宏觀分析 

失效螺栓的整體宏觀形貌見圖２,可見螺栓表 面涂有黃色油漆,但油漆面不完整,螺栓斷裂位置為螺栓根部,該處為應(yīng)力集中位置.螺栓斷口的整體 宏觀形貌見圖３,斷口上可見明顯的銹跡,斷口較為 平整,沒有明顯的塑性變形,斷口上存在明顯的擴(kuò)展 條紋,擴(kuò)展條紋的收斂處為起裂源,擴(kuò)展條紋最終發(fā) 散方向附近存在斷裂臺階,該處為最后斷裂區(qū)[２]. 圖４為起裂源區(qū)局部放大形貌,可見起裂源位于螺 栓邊緣,裂紋呈扇形由外向內(nèi)擴(kuò)展. 

１．２ 化學(xué)成分分析 

在斷裂螺栓上截取光譜試樣,經(jīng)清洗、干燥、打 磨后 采 用 臺 式 直 讀 光 譜 儀 進(jìn) 行 化 學(xué) 成 分 分 析, 結(jié) 果 見 表１.可 見 斷 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對２０MnTiB 鋼成 分的技術(shù)要求.

１．３ 金相分析 

１．３．１ 橫截面金相分析 

在螺栓斷口附近截取橫截面試樣,經(jīng)鑲嵌、打 磨、拋光、４％(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕后 在光學(xué)顯微鏡下觀察.試樣顯微組織形貌見圖５, 為均勻的回火索氏體[３],未見明顯異常.

１．３．２ 縱截面金相分析 

在螺栓頭部斷口起裂源區(qū)域截取縱截面試樣, 經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、４％硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕后進(jìn) 行顯微組織觀察.由圖６可見,靠近斷口附近,有晶 粒脫落現(xiàn)象存在[４].

１．４ 硬度測試 

在螺栓斷口附近截取橫截面試樣,經(jīng)鑲嵌、打 磨、拋光后進(jìn)行維氏硬度試驗,試驗貫穿試樣整個橫截面,結(jié) 果 見 表 ２.可 見 螺 栓 硬 度 測 試 結(jié) 果 符 合 GB/T３０９８．１－２０１０對１０．９S級螺栓的技術(shù)要求, 且整個橫截面硬度分布比較均勻,未出現(xiàn)明顯較大 波動. 

１．５ 斷口掃描電鏡分析 

１．５．１ 起裂源區(qū)及其附近表面覆蓋物形貌及成分 分析

將螺栓斷口切取下來,經(jīng)無水酒精清洗干凈、干 燥后,置于掃描電鏡(SEM)內(nèi)進(jìn)行觀察.螺栓起裂 源區(qū)及其附近表面可見明顯的覆蓋物,覆蓋物形貌 及能譜(EDS)分析結(jié)果見圖７.由能譜分析結(jié)果可 推斷出,該覆蓋物以鐵的氧化物為主,同時還有少量 的鈉、氯、硫等元素.

１．５．２ 斷口微觀形貌分析 

將斷口進(jìn)行進(jìn)一步清洗干凈、干燥后,置于掃描 電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察.圖８為螺栓斷口起裂源區(qū)形貌, 可以看到冰糖狀沿晶斷裂形貌,且晶界處存在二次 裂紋.圖９為裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌,同樣可見冰糖狀形 貌及晶 界 處 的 二 次 裂 紋,同 時 可 見 有 韌 窩 存 在. 圖１０為最后斷裂區(qū)形貌,可見大量的撕裂棱及細(xì)小 韌窩,為一次性斷裂[５].

２ 綜合分析 

由以上理化檢驗結(jié)果可知:斷裂螺栓化學(xué)成分 符合 GB/T３０７７－２０１５ 對 ２０MnTiB 鋼的技 術(shù) 要 求;顯微組織為均勻的回火索氏體,且整個截面顯微 組織均勻;橫截面維氏硬度試驗結(jié)果亦均勻,未出現(xiàn) 明顯較大波動,與均勻的顯微組織相吻合.

螺栓在使用過程中除了承受預(yù)緊力之外,根據(jù)螺栓的安裝位置可知其還承受一定的剪切應(yīng)力;從 斷裂螺栓的宏觀形貌可以看出斷裂發(fā)生在螺栓根部 處,該處為應(yīng)力集中區(qū)域,在螺栓斷口縱截面金相中 可以看到晶粒脫落現(xiàn)象,印證了螺栓斷裂前承受較 大的應(yīng)力.螺栓表面油漆有脫落現(xiàn)象存在,而螺栓 使用環(huán)境處于海邊,空氣中含有較多的水分和鹽分, 從而可以判斷螺栓會受到腐蝕.由能譜分析結(jié)果可 知,斷口表面的覆蓋物以氧化物為主,同時存在鈉、 氯、硫等元素,從而印證了腐蝕現(xiàn)象的存在.斷口微 觀形貌分析結(jié)果表明,起裂源區(qū)主要呈冰糖狀形貌, 擴(kuò)展區(qū)同樣可見少量冰糖狀形貌及部分細(xì)小韌窩, 最后斷裂區(qū)可見大量的撕裂棱及細(xì)小韌窩,為一次 性斷裂特征.

綜合以上分析認(rèn)為,螺栓部分新鮮表面暴露在空 氣中,在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下,螺栓根部 萌生裂紋,裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展,最終造成一次性斷裂.

３ 結(jié)論及建議 

螺栓斷裂的主要原因為部分新鮮表面暴露在空氣中,在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下,于應(yīng)力集 中的螺栓根部處起裂,裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展,最終造成 一次性斷裂.

建議對其他螺栓表面油漆完整性進(jìn)行檢查,防 止螺栓直接暴露在空氣中;另螺栓在裝載過程中,應(yīng) 注意預(yù)緊力不要過大.

參考文獻(xiàn): 

[１] 張奎志,劉剛,曲政．電廠鋼結(jié)構(gòu)腐蝕防護(hù)應(yīng)用[J]． 全面腐蝕控制,２００４,１８(５):４２Ｇ４４． 

[２] 張棟．失效分析[M]．北京:國防工業(yè)出版社,２００４． 

[３] 張建國．２０MnTiB高強(qiáng)螺栓斷裂原因分析[J]．熱處 理技術(shù)與裝備,２０１１,３２(５):４４Ｇ４６． 

[４] 張彥文,吳立新,王志奮,等．儲氣球罐連接閥螺栓斷 裂分析[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１３,４９(９):６２８Ｇ ６３１． 

[５] 王弘,高慶,戴振羽．２０MnTiB 鋼螺栓斷裂失效分析 [J]．理化檢驗(物理分冊),２００３,３９(８):４２６Ｇ４２９．

文章來源——材料與測試網(wǎng)