鋼網(wǎng)架用高強(qiáng)螺栓的斷裂原因分析

王 軍, 李桂芹, 蘇建鋒, 尹亞豪

(國(guó)家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 鄭州 450001)

質(zhì)量控制與失效分析

鋼網(wǎng)架用高強(qiáng)螺栓的斷裂原因分析

王 軍, 李桂芹, 蘇建鋒, 尹亞豪

(國(guó)家金屬制品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)中心, 鄭州 450001)

某鋼網(wǎng)架廠房中的高強(qiáng)螺栓在使用過程中出現(xiàn)早期斷裂現(xiàn)象。采用宏觀檢驗(yàn)、化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、掃描電鏡及能譜分析等方法，對(duì)螺栓斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：該高強(qiáng)螺栓斷裂主要是由于其內(nèi)部存在冶金缺陷及熱處理工藝不當(dāng)；在承載力作用下，存在較多夾渣缺陷的螺栓心部產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋，同時(shí)不良的調(diào)質(zhì)熱處理組織增加了螺栓的脆性，從而導(dǎo)致了螺栓的快速脆性斷裂。最后提出了相應(yīng)的預(yù)防措施。

高強(qiáng)螺栓；脆性斷裂；冶金缺陷；調(diào)質(zhì)熱處理

鋼網(wǎng)架高強(qiáng)螺栓作為空間網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)的重要零件，直接傳遞交變載荷引起的交變應(yīng)力，因此對(duì)其綜合力學(xué)性能的要求很高。目前高強(qiáng)螺栓延遲脆性斷裂的現(xiàn)象屢見不鮮，導(dǎo)致脆性斷裂的原因有很多，一般為材料本身缺陷、熱處理缺陷、安裝使用不當(dāng)以及外界環(huán)境等[1-6]。某鋼網(wǎng)架高強(qiáng)螺栓安裝后約1 a(年)，在例行檢查時(shí)發(fā)生有1個(gè)螺栓出現(xiàn)斷裂，螺栓規(guī)格為M56 mm，性能等級(jí)為9.8S，斷裂位置位于螺桿中間部分(圖1)。為了查明該起螺栓斷裂事故發(fā)生的原因，筆者對(duì)其進(jìn)行了理化檢驗(yàn)和分析。

圖1 斷裂螺栓宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured bolt

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀檢驗(yàn)

宏觀觀察該螺栓斷口表面局部有銹蝕，無其他明顯的外力傷痕和裂紋。斷口整體較平齊，斷裂源位于螺栓心部，擴(kuò)展區(qū)呈現(xiàn)一次性放射線特征且所占比例較大，試樣邊緣有一圈很小面積的部分與中間部分明顯分離。整個(gè)斷面呈拉應(yīng)力脆性斷裂特征(圖2)，斷口表面銹蝕應(yīng)為斷后或保存期間污染所致。

圖2 螺栓斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of the bolt fracture

1.2 化學(xué)成分分析

從斷裂高強(qiáng)螺栓外表面至中心取3處試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。可以看出，螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 16939-2016《鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓》[7]對(duì)該螺栓材料40Cr鋼的要求，但碳元素含量從螺栓表面到心部有一定的波動(dòng)。

表1 螺栓化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))

Tab.1 Analysis results of chemical compositions of the bolt (mass fraction) %

項(xiàng)目CSiMnSPCr表面實(shí)測(cè)值0.390.270.650.0050.0250.97中層實(shí)測(cè)值0.410.270.660.0050.0260.98心部實(shí)測(cè)值0.380.270.650.0040.0260.97標(biāo)準(zhǔn)值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0350.80～1.10

1.3 硬度測(cè)試

對(duì)螺栓桿部表面及心部進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，結(jié)果顯示其桿部表面硬度為34.0～34.5 HRC，心部硬度為34.5～36.0 HRC，符合GB/T 16939-2016中螺栓表面硬度為32～37 HRC、心部硬度不小于28 HRC的要求。

1.4 掃描電鏡及能譜分析

對(duì)螺栓斷口進(jìn)行掃描電鏡觀察，可見斷裂源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)基本為解理脆性斷裂特征(圖3)。對(duì)斷裂源區(qū)與擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行能譜分析，可知鐵、氧元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為67.79%和29.09%(圖4)，因此該密集區(qū)的主要成分應(yīng)為氧化鐵。試樣邊緣部分呈現(xiàn)45°剪切唇狀態(tài)，斷口形貌為韌窩，可判斷為最終瞬斷區(qū)(圖5)。

圖3 斷口斷裂源形貌Fig.3 Morphology of the fracture source zone of the fracture surface

圖4 斷裂源處能譜分析位置及結(jié)果Fig.4 Position and result of energy spectrum analysis of the fracture source zone:a) analysis position; b) analysis result

1.5 金相檢驗(yàn)

取螺栓斷口橫截面試樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，結(jié)果顯示螺栓主要顯微組織為上貝氏體+少量屈氏體(圖6)。試樣心部至分層處局部存在較多的氧化物夾渣聚集，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+淬火馬氏體(圖7)。試樣外邊緣至分層處約2.0 mm層厚組織為回火索氏體(圖8)，為正常調(diào)質(zhì)組織。脫碳層深度為0.02 mm，無全脫碳層，脫碳層檢驗(yàn)正常。在非斷口處取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，顯微組織及脫碳層檢驗(yàn)結(jié)果基本與斷口處的一致，只是局部夾渣聚集較輕。

圖6 螺栓顯微組織形貌Fig.6 Microstructure morphology of the bolt

圖7 螺栓中的冶金缺陷形貌Fig.7 Morphology of metallurgical defects of the bolt:a) position 1; b) position 2

圖8 螺栓邊緣區(qū)域顯微組織形貌Fig.8 Microstructure morphology of the edge area of the bolt

1.6 非金屬夾雜物檢驗(yàn)

在螺栓斷口附近取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)斷口心部至分層處局部有較多氧化物和非金屬夾渣聚集。取非斷口處試樣1/4徑向截面處進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)面積大于200 mm2，檢驗(yàn)結(jié)果為：A1.5，A1.5e，B1.5，B0.5e，C1.5，C2.5e，D1，D0.5s(單粒0.032 mm×0.050 mm)，DS3。該螺栓的非金屬夾雜物中粗系非金屬夾雜物較多，特別是C類和DS類的粗系夾雜物級(jí)別偏高。

2 分析與討論

從斷口的微觀觀察及能譜分析結(jié)果可見，夾渣冶金缺陷的存在是該高強(qiáng)螺栓斷裂的主要原因。夾渣一般認(rèn)為是金屬在熔煉過程中與外界物質(zhì)接觸發(fā)生作用產(chǎn)生的夾雜物，主要是鋼在冶煉和澆鑄過程中懸浮在鋼液表面的爐渣、或由煉鋼爐或鋼包等內(nèi)壁剝落的耐火材料在鋼液凝固前未及時(shí)上浮去除而留于鋼中的。這類夾雜物一般的特征是外形不規(guī)則，尺寸比較大，分布也沒有規(guī)律，一般可以通過正確的操作來避免。

馬氏體組織只是在夾雜物聚集處出現(xiàn)，因此可以推斷爐渣等非金屬夾雜物的存在引起了局部元素的偏析，改變了局部凝固冷卻曲線，進(jìn)而形成馬氏體等異常組織。

由金相檢驗(yàn)結(jié)果可知，熱處理工藝控制不當(dāng)，不能獲得所需的組織，是導(dǎo)致高強(qiáng)螺栓斷裂的另一原因。按照一般的工藝要求，40Cr鋼的調(diào)質(zhì)組織應(yīng)為回火索氏體，允許有少量的鐵素體。但該調(diào)質(zhì)組織除了邊緣處為回火索氏體外，大部分為上貝氏體和屈氏體。

上貝氏體的基本特征是條狀鐵素體大體平行排列，同時(shí)因在鐵素體條間存在細(xì)長(zhǎng)條狀的碳化物沉淀，使鐵素體條間容易斷裂，韌性較差，因此在熱處理組織中不希望得到上貝氏體。從貝氏體的形成過程來看，它是奧氏體在珠光體轉(zhuǎn)變區(qū)以下、奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度(Ms點(diǎn))以上的中溫區(qū)轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，屬于鐵素體和滲碳體兩相組織。通常在淬火時(shí)冷卻速率過低極易使冷卻曲線碰到過冷奧氏體轉(zhuǎn)變曲線(C曲線)的鼻尖，而使材料發(fā)生上貝氏體轉(zhuǎn)變，導(dǎo)致材料性能的下降?；鼗鹎象w的出現(xiàn)是由于回火溫度偏低造成的。

綜上所述，該高強(qiáng)螺栓冶煉后在其內(nèi)部殘留了較多夾渣等非金屬夾雜物，造成螺栓的組織疏松和內(nèi)部偏析，阻斷了金屬的連續(xù)性；同時(shí)該螺栓進(jìn)行熱處理后，不但其組織沒有得到改善，反而得到很多不良組織，這些組織降低了該螺栓的塑性和韌性，增加了組織內(nèi)部應(yīng)力。在使用過程中，首先在螺栓心部的組織疏松、孔隙、夾渣聚集處產(chǎn)生應(yīng)力集中，裂紋萌生并擴(kuò)展，在組織應(yīng)力的作用下，螺栓迅速斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

(1) 該高強(qiáng)螺栓斷裂主要是由于內(nèi)部存在冶金缺陷及熱處理工藝不當(dāng)。在螺栓緊固載力的作用下，首先在存在較多夾渣缺陷的螺栓心部產(chǎn)生應(yīng)力集中并萌生裂紋，同時(shí)不正常的調(diào)質(zhì)組織也產(chǎn)生了一定的組織應(yīng)力增加了螺栓的脆性，進(jìn)而導(dǎo)致螺栓快速斷裂。

(2) 建議在原料生產(chǎn)時(shí)加強(qiáng)粗大夾渣的控制，并減少外來夾雜物對(duì)鋼液的污染；建議制定合適的調(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)程，并嚴(yán)格執(zhí)行淬火及回火工藝參數(shù)，防止不良組織的出現(xiàn)。

[1] 宋志慧,鄭慧敏.鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)螺栓脆性斷裂的研究現(xiàn)狀[J].建材技術(shù)與應(yīng)用,2012,159(1):11-13.

[2] 張君,溫寶峰,趙江濤,等.風(fēng)力發(fā)電機(jī)塔筒緊固用高強(qiáng)螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2014,50(12):933-935.

[3] 吳繼權(quán),趙昆玉,沈創(chuàng)謙.40ACR高強(qiáng)螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(3):203-208.

[4] 王兆希,郭宏梅,張小亮,等.電站穩(wěn)壓器支承裙座錨固螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(10):747-750.

[5] 張邦強(qiáng),謝娟.10.9級(jí)高強(qiáng)度螺栓斷裂分析[J].大型鑄鍛件,2009,152(6):15-17.

[6] 王磊,陳學(xué)廣,裴海祥.柴油機(jī)用高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(6):431-434.

[7] GB/T 16939-2016 鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)點(diǎn)用高強(qiáng)度螺栓[S].

Reason Analysis on Fracture of a High-Strength Bolt for Steel Grid Structure

WANG Jun, LI Guiqin, SU Jianfeng, YIN Yahao

(National Quality Supervision and Inspection Center for Metallic Products, Zhengzhou 450001, China)

A high-strength bolt for steel grid structure fractured early during use. Base on macroscopic inspection, chemical composition analysis, hardness testing, scanning electron microscope and spectrum analysis and so on, the fracture reasons of the bolt were analyzed. The results show that: the fracture of the bolt was mainly caused by the presence of metallurgical defects and inadequate heat treatment technology; under the action of the load, the stress concentration was produced in the center of the bolt with a large number of slag inclusions, then crack source appeared in the region of the stress concentration; meanwhile, the poor tempering heat treatment structure increased the brittleness of the bolt, and ultimately resulted in the rapid brittleness fracture of the bolt. Finally the corresponding preventive measures were put forward.

high-strength bolt; brittleness fracture; metallurgical defect; tempering heat treatment

10.11973/lhjy-wl201707010

2016-10-10

王 軍(1983-)，男，碩士，主要從事金相檢驗(yàn)及失效分析工作，39932579@qq.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0500-04