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(cè)試、斷口分析等方法對(duì)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?yàn)槁菟ú糠? 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(kāi)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(hào):TG１１５;TU３９１ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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(diǎn);同時(shí)戶外鋼 結(jié)構(gòu)樓梯在制作安裝時(shí),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(jià)格適宜、經(jīng) 濟(jì)實(shí)用、防臺(tái)風(fēng)、隔熱、隔音、保溫、防潮等特點(diǎn).

某公司在對(duì)戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯進(jìn)行檢查時(shí)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(jí) 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(jì)使用時(shí)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(duì)其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀分析

失效螺栓的整體宏觀形貌見(jiàn)圖２,可見(jiàn)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(jiàn)圖３,斷口上可見(jiàn)明顯的銹跡,斷口較為 平整,沒(méi)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(tái)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(jiàn)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(tái) 式 直 讀 光 譜 儀 進(jìn) 行 化 學(xué) 成 分 分 析, 結(jié) 果 見(jiàn) 表１.可 見(jiàn) 斷 裂 螺 栓 的 各 元 素 含 量 均 符 合GB/T３０７７－２０１５«合金結(jié)構(gòu)鋼»對(duì)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(jiàn)圖５, 為均勻的回火索氏體[３],未見(jiàn)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(jiàn),靠近斷口附近,有晶 粒脫落現(xiàn)象存在[４].

１．４ 硬度測(cè)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(yàn),試驗(yàn)貫穿試樣整個(gè)橫截面,結(jié) 果 見(jiàn) 表 ２.可 見(jiàn) 螺 栓 硬 度 測(cè) 試 結(jié) 果 符 合 GB/T３０９８．１－２０１０對(duì)１０．９S級(jí)螺栓的技術(shù)要求, 且整個(gè)橫截面硬度分布比較均勻,未出現(xiàn)明顯較大 波動(dòng).

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(lái),經(jīng)無(wú)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(jiàn)明顯的覆蓋物,覆蓋物形貌 及能譜(EDS)分析結(jié)果見(jiàn)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(shí)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(jiàn)冰糖狀形 貌及晶 界 處 的 二 次 裂 紋,同 時(shí) 可 見(jiàn) 有 韌 窩 存 在. 圖１０為最后斷裂區(qū)形貌,可見(jiàn)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(yàn)結(jié)果可知:斷裂螺栓化學(xué)成分 符合 GB/T３０７７－２０１５ 對(duì) ２０MnTiB 鋼的技 術(shù) 要 求;顯微組織為均勻的回火索氏體,且整個(gè)截面顯微 組織均勻;橫截面維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果亦均勻,未出現(xiàn) 明顯較大波動(dòng),與均勻的顯微組織相吻合.

螺栓在使用過(guò)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(huì)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(shí)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(jiàn)少量冰糖狀形貌及部分細(xì)小韌窩, 最后斷裂區(qū)可見(jiàn)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?yàn)椴糠中迈r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(duì)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(guò)程中,應(yīng) 注意預(yù)緊力不要過(guò)大.

參考文獻(xiàn):

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