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                            某钢结构螺栓失效分析

                            日期: 2019-05-24
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                            邱康勇,张 杰,吴继权
                            (深圳市特种设备安全检验研究院,深圳 518029)
                            摘 要:某公司一户外钢结构楼梯螺栓发生断裂失效,采用宏观分析、化学成分分析、金相分析、
                            硬度测试、断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析。结果表明:螺栓断裂主要是因为螺栓部分
                            新鲜表面暴露在空气中,在腐蚀性环境和应力的共同作用下,应力集中的螺栓根部开始萌生裂纹,裂纹由外向内扩展,最终造成一次性断裂。
                            关键词:钢结构;螺栓;断裂;腐蚀;应力集中

                            户外钢结构楼梯具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好、便于安装和拆卸等特点;同时户外钢结构楼梯在制作安装时,表面进行了喷塑、浸锌或烤漆等技术处理[1],因而还具有造型美观、价格适宜、经济实用、防台风、隔热、隔音、保温、防潮等特点。
                            ??某公司在对户外钢结构楼梯进行检查时发现,一固定螺栓发生断裂失效。断裂螺栓标称材料为20MnTiB钢,规格为M20mm×70mm,性能等级为10.9S,为高强度螺栓。

                            该螺栓作为紧固件应用于户外钢结构楼梯,如图1所示,于2016年12月发生断裂,累计使用时间约为2a(年)。高强度螺栓其抗拉强度大,表面硬度高,力学性能好;热处理一般采用调质处理,即淬火+高温回火;表面处理常采用表面磷化或者表面氧化。该断裂螺栓热处理工艺为调质处理,表面处理工艺为发黑处理。为查明该螺栓断裂失效原因,笔者对其进行了检验和分析。
                            1 理化检验
                            1.1 宏观分析
                            ??失效螺栓的整体宏观形貌见图2,可见螺栓表面涂有黄色油漆,但油漆面不完整,螺栓断裂位置为螺栓根部,该处为应力集中位置。螺栓断口的整体宏观形貌见图3,断口上可见明显的锈迹,断口较为平整,没有明显的塑性变形,断口上存在明显的扩展条纹,扩展条纹的收敛处为起裂源,扩展条纹最终发散方向附近存在断裂台阶,该处为最后断裂区[2]。图4为起裂源区局部放大形貌,可见起裂源位于螺栓边缘,裂纹呈扇形由外向内扩展。
                            1.2 化学成分分析
                            ??在断裂螺栓上截取光谱试样,经清洗、干燥、打磨后采用台式直读光谱仪进行 化学成分分析,
                            结 果 见 表1。

                            某钢结构螺栓断裂失效分析

                            ?

                            可见断裂螺栓的各元素含量 均 符 合GB/T3077-2015《合金结构钢》对20MnTiB 钢成分的技术要求。
                            1.3 金相分析
                            1.3.1 横截面金相分析
                            在螺栓断口附近截取横截面试样,经镶嵌、打磨、抛光、4%(体积分数)硝酸酒精溶液化学侵蚀后在光学显微镜下观察。试样显微组织形貌见图5,为均匀的回火索氏体[3],未见明显异常。1.3.2 纵截面金相分析在螺栓头部断口起裂源区域截取纵截面试样,经镶嵌、打磨、抛光、4%硝酸酒精溶液化学侵蚀后进行显微组织观察。由图6可见,靠近断口附近,有晶粒脱落现象存在[4]。
                            1.4 硬度测试
                            ??在螺栓断口附近截取横截面试样,经镶嵌、打磨、抛光后进行维氏硬度试验,试验贯穿试样整个横截面,结 果 见 表 2。

                            某钢结构螺栓断裂失效分析

                            ?

                            ?可见螺栓硬度测试结果符合GB/T3098.1-2010对10.9S级螺栓的技术要求,且整个横截面硬度分布比较均匀,未出现明显较大波动。

                            标准值

                            1.5 断口扫描电镜分析
                            1.5.1 起裂源区及其附近表面覆盖物形貌及成分分析将螺栓断口切取下来,经无水酒精清洗干净、干燥后,置于扫描电镜(SEM)内进行观察。螺栓起裂源区及其附近表面可见明显的覆盖物,覆盖物形貌及能谱(EDS)分析结果见图7。由能谱分析结果可推断出,该覆盖物以铁的氧化物为主,同时还有少量的钠、氯、硫等元素。

                            1.5.2 断口微观形貌分析将断口进行进一步清洗干净、干燥后,置于扫描电镜内进行观察。图8 为螺栓断口起裂源区形貌,
                            可以看到冰糖状沿晶断裂形貌,且晶界处存在二次裂纹。图9为裂纹扩展区形貌,同样可见冰糖状形貌及晶界处的二次裂纹,同时可见有韧窝存在。图10为最后断裂区形貌,可见大量的撕裂棱及细小韧窝,为一次性断裂[5]。

                            2 综合分析由以上理化检验结果可知:断裂螺栓化学成分符合 GB/T3077-2015 对 20MnTiB 钢的技术要求;显微组织为均匀的回火索氏体,且整个截面显微组织均匀;横截面维氏硬度试验结果亦均匀,未出现明显较大波动,与均匀的显微组织相吻合。

                            螺栓在使用过程中除了承受预紧力之外,根据螺栓的安装位置可知其还承受一定的剪切应力;从断裂螺栓的宏观形貌可以看出断裂发生在螺栓根部处,该处为应力集中区域,在螺栓断口纵截面金相中可以看到晶粒脱落现象,印证了螺栓断裂前承受较大的应力。螺栓表面油漆有脱落现象存在,而螺栓使用环境处于海边,空气中含有较多的水分和盐分,从而可以判断螺栓会受到腐蚀。由能谱分析结果可知,断口表面的覆盖物以氧化物为主,同时存在钠、氯、硫等元素,从而印证了腐蚀现象的存在。断口微观形貌分析结果表明,起裂源区主要呈冰糖状形貌,扩展区同样可见少量冰糖状形貌及部分细小韧窝,最后断裂区可见大量的撕裂棱及细小韧窝,为一次性断裂特征。综合以上分析认为,螺栓部分新鲜表面暴露在空气中,在腐蚀性环境和应力的共同作用下,螺栓根部萌生裂纹,裂纹由外向内扩展,最终造成一次性断裂。
                            3 结论及建议
                            螺栓断裂的主要原因为部分新鲜表面暴露在空气中,在腐蚀性环境和应力的共同作用下,于应力集中的螺栓根部处起裂,裂纹由外向内扩展,最终造成一次性断裂。

                            建议对其他螺栓表面油漆完整性进行检查,防止螺栓直接暴露在空气中;另螺栓在装载过程中,应注意预紧力不要过大。
                            参考文献:
                            [1] 张奎志,刘刚,曲政.电厂 钢 结 构 腐 蚀 防 护 应 用[J].
                            全面腐蚀控制,2004,18(5):42-44.
                            [2] 张栋.失效分析[M].北京:国防工业出版社,2004.
                            [3] 张建国.20MnTiB高强螺栓断裂原因分析[J].热处
                            理技术与装备,2011,32(5):44-46.
                            [4] 张彦文,吴立新,王志奋,等.储气球罐 连 接 阀 螺 栓 断
                            裂分析[J].理化检验(物理分册),2013,49(9):628-
                            631.
                            [5] 王弘,高庆,戴振羽.20MnTiB 钢螺栓断裂失效分析
                            [J].理化检验(物理分册),2003,39(8):426-429


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