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.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.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.
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):４２Ｇ４４．
[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):４４Ｇ４６．
[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):６２８Ｇ 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):４２６Ｇ４２９．