某鐵路橋梁用20MnTiB鋼高強螺栓斷裂原因

宋艷雙,周友龍,陳昊宇

(1.中鐵六局集團廣州工程有限公司,廣州 511400；2.西南交通大學 材料科學與工程學院,成都 610031)

螺栓是工業(yè)生產(chǎn)制造中極其重要的基礎零部件，廣泛應用于各行各業(yè)的機械裝備中。螺栓的斷裂機制一直都是螺栓生產(chǎn)制造方和使用方關注的重點，相關從業(yè)人員有必要了解螺栓的相關標準及制造工藝，正確掌握螺栓常見缺陷的斷口形貌分析等技能[1]。

螺栓從選材、生產(chǎn)制造到服役，各個環(huán)節(jié)的相關問題處理不當都會導致螺栓發(fā)生斷裂。例如，當螺栓的力學性能不符合設計標準或者原始材料存在顯微缺陷時，螺栓的強度和塑性變差，使螺栓的抗延遲斷裂性能下降，在服役期間發(fā)生斷裂。在安裝螺栓時若裝配應力過大，會損傷螺栓局部表面，導致螺栓出現(xiàn)過載或者預緊不足的情況，最終使螺栓發(fā)生斷裂[2]。螺栓機械加工不當時，如螺紋的精度不夠、流線不合格、存在表面缺陷等也會引起螺栓在服役期間斷裂。熱處理的溫度區(qū)間或者保溫時間控制不當，螺栓的組織轉(zhuǎn)變不充分，會導致螺栓強度和硬度不符合設計要求。增碳現(xiàn)象、脫碳現(xiàn)象以及裂紋等缺陷在螺栓的熱處理過程中都是十分常見的。

相對傳統(tǒng)高強螺栓而言，20MnTiB鋼高強螺栓的冷鍛效果好，淬透性良好[3]。鋼桁梁桿結(jié)構通過對螺栓桿預加拉力，使連接板的板件夾緊，進而產(chǎn)生很大的摩擦力來承受外荷載。20MnTiB鋼高強螺栓是鋼桁梁桿結(jié)構中最重要的連接件之一，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關系到鋼桁梁桿的安全可靠性。筆者對某鐵路主橋鋼桁梁桿間發(fā)現(xiàn)的斷裂高強螺栓進行一系列理化檢驗和分析，查明了螺栓的斷裂原因，并提出了相關預防措施，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 斷裂螺栓概況

該鋼桁梁桿間所用高強螺栓的規(guī)格為24 mm×90 mm(直徑×長度)，材料為20MnTiB鋼，性能等級為10.9級。主橋鋼桁梁桿間設計螺栓共276 032套，全面排查后發(fā)現(xiàn)，下弦桿高強螺栓斷裂了151套。螺栓表面經(jīng)過發(fā)黑處理，金屬表面產(chǎn)生一層氧化膜，以隔絕空氣，達到防銹的目的。斷裂螺栓暴露在較為潮濕的空氣中，且螺栓斷口沒有進行相應的外觀保護處理，斷口處嚴重氧化生銹(見圖1)。高強螺栓的制造工藝為：熱軋盤條→球化(軟化)退火→機械除磷→酸洗→冷拔→冷鍛成形→螺紋加工→熱處理→檢驗。

圖1 斷裂螺栓的宏觀形貌

2 理化檢驗

2.1 復檢試驗

對斷裂螺栓同批次生產(chǎn)的螺栓進行復檢試驗。高強螺栓的復檢試驗有：螺栓楔負載試驗、螺母保證載荷試驗、螺母硬度試驗、墊圈硬度試驗、扭矩系數(shù)測試等。結(jié)果顯示同批次螺栓的復檢試驗結(jié)果均合格。

2.2 化學成分分析

在斷裂螺栓上取樣，根據(jù)標準GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)》，采用直讀光譜儀對試樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。根據(jù)標準GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構鋼》和GB/T 222—2006 《鋼的成品化學成分允許偏差》，螺栓中的Mn元素含量高于標準的上限要求。Mn元素含量過高會降低材料的耐腐蝕性能，并產(chǎn)生明顯的回火脆性現(xiàn)象。

表1 斷裂螺栓的化學成分分析結(jié)果 %

2.3 力學性能測試

根據(jù)GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，在斷裂螺栓的橫截面距離中心1/4螺紋直徑位置取樣，用洛氏硬度計對試樣進行硬度測試，結(jié)果如表2所示。根據(jù)GB/T 228.1—2010 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》，使用液壓萬能試驗機對同批次生產(chǎn)的螺栓進行力學性能測試，結(jié)果如表3所示。可見螺栓的硬度和力學性能均符合GB/T 1231—2006 《鋼結(jié)構用高強度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術條件》的要求。

表2 斷裂螺栓的硬度測試結(jié)果 HRC

表3 同批次螺栓的力學性能測試結(jié)果

2.4 金相檢驗

采用線切割的方法在螺栓的橫截面以及縱截面處取樣，將試樣進行研磨、腐蝕，然后用光學顯微鏡觀察斷口橫截面和縱截面的顯微組織，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：螺栓的組織為回火屈氏體+少量鐵素體，組織均勻分布，壓根兩側(cè)無明顯的脫碳層，螺紋壓根外觀成型良好，符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求。

圖2 螺栓斷口橫截面和縱截面的顯微組織形貌

2.5 斷口分析

2.5.1 宏觀分析

將生銹的螺栓斷口清洗后，進行宏觀形貌觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：螺栓整個斷口形貌相對平坦，未見明顯的損傷和塑性變形；起裂源區(qū)位于外螺紋牙型槽底，存在較大的應力集中；斷口中部區(qū)域可見明顯的放射條紋，說明裂紋在該區(qū)域快速擴展；隨著裂紋的不斷擴展，螺栓的實際承載面積逐漸減小，最終發(fā)生瞬斷，形成剪切唇[4]；裂紋擴展區(qū)域面積約占整個斷口面積的4/5，起裂源區(qū)和最后斷裂形成的瞬斷區(qū)剪切唇面積約占整個斷口面積的1/5。結(jié)合斷口各個區(qū)域的形貌特征以及瞬斷區(qū)占整個斷口的面積比例，可初步判斷該螺栓的主要斷裂形式是脆性斷裂[5]。

圖3 螺栓斷口的宏觀形貌

2.5.2 微觀分析

用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓斷口，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：斷口起裂源位置的顆粒明顯，立體感強，呈冰糖狀；裂紋沿晶界擴展，呈較嚴重的脆性斷裂形貌；裂紋擴展區(qū)可見河流花樣，呈解理形貌特征；斷口處可見典型氫脆斷口形貌(雞爪紋)和微小的二次裂紋。對斷口起裂源處進行能譜分析，結(jié)果未檢測到磷、硫等有害雜質(zhì)元素。

圖4 螺栓斷口的SEM形貌

3 綜合分析

螺栓斷口上未發(fā)現(xiàn)非金屬夾雜物或孔洞缺陷，說明氫脆裂紋在螺栓表面萌生。該高強螺栓施擰過程均為電動扳手完成，且施工過程中均按照規(guī)范要求進行標定，因此可排除超擰或欠擰導致該螺栓斷裂的情況。由斷口分析結(jié)果可知：螺栓斷口附近無明顯的宏觀塑性變形，斷面相對平坦，總體形貌呈典型的脆性斷裂特征；起裂源區(qū)位置呈清晰的顆粒狀，斷面無腐蝕產(chǎn)物[6]，斷口晶粒表面上可見雞爪紋，雞爪紋為氫脆斷口的典型微觀形貌特征，因此可以判定該高強螺栓的斷裂形式為氫致斷裂。螺栓表面采用發(fā)黑處理，該工藝過程中會有一定的氫元素滲入，后處理中若除氫不徹底會導致螺栓內(nèi)的氫元素含量較多。該高強螺栓未及時進行封閉處理，長時間在雨水或水汽環(huán)境下服役，螺栓會與外界發(fā)生化學或者電化學反應，進而析出氫元素，導致螺栓發(fā)生氫脆。氫原子的尺寸較小，除了可以在晶體點陣中形成間隙原子外，也會占據(jù)晶體點陣中的位錯、空穴、夾雜物及氣孔等缺陷處。在載荷的作用下,氫元素高度聚集，在應力和氫元素的共同作用下，螺栓會產(chǎn)生氫致裂紋[6]。氫致斷裂與氫元素的擴散、聚集有關，氫致斷裂具有無征兆性，且具有較大的破壞力。

4 結(jié)論與建議

螺栓的斷裂形式為氫致斷裂。螺栓的斷裂原因為：螺栓中Mn元素含量偏高，導致螺栓的耐腐蝕性降低，且螺栓長時間在雨水或水汽的環(huán)境下服役，最終發(fā)生氫致斷裂。

建議使用化學成分符合標準的螺栓。酸洗時，在酸洗液中添加緩蝕劑，縮短酸洗時間，以避免產(chǎn)生氫元素。采用低氫擴散性和低氫溶解度的鍍涂層，如機械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層，以避免發(fā)生氫脆。