宋艷雙,周友龍,陳昊宇

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

螺栓是工業(yè)生產(chǎn)制造中極其重要的基礎(chǔ)零部件，廣泛應(yīng)用于各行各業(yè)的機(jī)械裝備中。螺栓的斷裂機(jī)制一直都是螺栓生產(chǎn)制造方和使用方關(guān)注的重點(diǎn)，相關(guān)從業(yè)人員有必要了解螺栓的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及制造工藝，正確掌握螺栓常見(jiàn)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(gè)環(huán)節(jié)的相關(guān)問(wèn)題處理不當(dāng)都會(huì)導(dǎo)致螺栓發(fā)生斷裂。例如，當(dāng)螺栓的力學(xué)性能不符合設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)或者原始材料存在顯微缺陷時(shí)，螺栓的強(qiáng)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(shí)若裝配應(yīng)力過(guò)大，會(huì)損傷螺栓局部表面，導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)過(guò)載或者預(yù)緊不足的情況，最終使螺栓發(fā)生斷裂[2]。螺栓機(jī)械加工不當(dāng)時(shí)，如螺紋的精度不夠、流線(xiàn)不合格、存在表面缺陷等也會(huì)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(shí)間控制不當(dāng)，螺栓的組織轉(zhuǎn)變不充分，會(huì)導(dǎo)致螺栓強(qiáng)度和硬度不符合設(shè)計(jì)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(guò)程中都是十分常見(jiàn)的。

相對(duì)傳統(tǒng)高強(qiáng)螺栓而言，20MnTiB鋼高強(qiáng)螺栓的冷鍛效果好，淬透性良好[3]。鋼桁梁桿結(jié)構(gòu)通過(guò)對(duì)螺栓桿預(yù)加拉力，使連接板的板件夾緊，進(jìn)而產(chǎn)生很大的摩擦力來(lái)承受外荷載。20MnTiB鋼高強(qiáng)螺栓是鋼桁梁桿結(jié)構(gòu)中最重要的連接件之一，其產(chǎn)品質(zhì)量直接關(guān)系到鋼桁梁桿的安全可靠性。筆者對(duì)某鐵路主橋鋼桁梁桿間發(fā)現(xiàn)的斷裂高強(qiáng)螺栓進(jìn)行一系列理化檢驗(yàn)和分析，查明了螺栓的斷裂原因，并提出了相關(guān)預(yù)防措施，以避免該類(lèi)問(wèn)題再次發(fā)生。

1 斷裂螺栓概況

該鋼桁梁桿間所用高強(qiáng)螺栓的規(guī)格為24 mm×90 mm(直徑×長(zhǎng)度)，材料為20MnTiB鋼，性能等級(jí)為10.9級(jí)。主橋鋼桁梁桿間設(shè)計(jì)螺栓共276 032套，全面排查后發(fā)現(xiàn)，下弦桿高強(qiáng)螺栓斷裂了151套。螺栓表面經(jīng)過(guò)發(fā)黑處理，金屬表面產(chǎn)生一層氧化膜，以隔絕空氣，達(dá)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(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的外觀(guān)保護(hù)處理，斷口處嚴(yán)重氧化生銹(見(jiàn)圖1)。高強(qiáng)螺栓的制造工藝為：熱軋盤(pán)條→球化(軟化)退火→機(jī)械除磷→酸洗→冷拔→冷鍛成形→螺紋加工→熱處理→檢驗(yàn)。

圖1 斷裂螺栓的宏觀(guān)形貌

2 理化檢驗(yàn)

2.1 復(fù)檢試驗(yàn)

對(duì)斷裂螺栓同批次生產(chǎn)的螺栓進(jìn)行復(fù)檢試驗(yàn)。高強(qiáng)螺栓的復(fù)檢試驗(yàn)有：螺栓楔負(fù)載試驗(yàn)、螺母保證載荷試驗(yàn)、螺母硬度試驗(yàn)、墊圈硬度試驗(yàn)、扭矩系數(shù)測(cè)試等。結(jié)果顯示同批次螺栓的復(fù)檢試驗(yàn)結(jié)果均合格。

2.2 化學(xué)成分分析

在斷裂螺栓上取樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 4336—2016 《碳素鋼和中低合金鋼 多元素含量的測(cè)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(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077—2015 《合金結(jié)構(gòu)鋼》和GB/T 222—2006 《鋼的成品化學(xué)成分允許偏差》，螺栓中的Mn元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)的上限要求。Mn元素含量過(guò)高會(huì)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(xué)成分分析結(jié)果 %

2.3 力學(xué)性能測(cè)試

根據(jù)GB/T 230.1—2018 《金屬材料 洛氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)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(jì)對(duì)試樣進(jìn)行硬度測(cè)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(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，使用液壓萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)對(duì)同批次生產(chǎn)的螺栓進(jìn)行力學(xué)性能測(cè)試，結(jié)果如表3所示?？梢?jiàn)螺栓的硬度和力學(xué)性能均符合GB/T 1231—2006 《鋼結(jié)構(gòu)用高強(qiáng)度大六角頭螺栓、大六角螺母、墊圈技術(shù)條件》的要求。

表2 斷裂螺栓的硬度測(cè)試結(jié)果 HRC

表3 同批次螺栓的力學(xué)性能測(cè)試結(jié)果

2.4 金相檢驗(yàn)

采用線(xiàn)切割的方法在螺栓的橫截面以及縱截面處取樣，將試樣進(jìn)行研磨、腐蝕，然后用光學(xué)顯微鏡觀(guān)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(wú)明顯的脫碳層，螺紋壓根外觀(guān)成型良好，符合GB/T 3098.1—2010 《緊固件機(jī)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(guān)分析

將生銹的螺栓斷口清洗后，進(jìn)行宏觀(guān)形貌觀(guān)察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：螺栓整個(gè)斷口形貌相對(duì)平坦，未見(jiàn)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(yīng)力集中；斷口中部區(qū)域可見(jiàn)明顯的放射條紋，說(shuō)明裂紋在該區(qū)域快速擴(kuò)展；隨著裂紋的不斷擴(kuò)展，螺栓的實(shí)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(kuò)展區(qū)域面積約占整個(gè)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(gè)斷口面積的1/5。結(jié)合斷口各個(gè)區(qū)域的形貌特征以及瞬斷區(qū)占整個(gè)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(guān)形貌

2.5.2 微觀(guān)分析

用掃描電鏡(SEM)觀(guān)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(qiáng)，呈冰糖狀；裂紋沿晶界擴(kuò)展，呈較嚴(yán)重的脆性斷裂形貌；裂紋擴(kuò)展區(qū)可見(jiàn)河流花樣，呈解理形貌特征；斷口處可見(jiàn)典型氫脆斷口形貌(雞爪紋)和微小的二次裂紋。對(duì)斷口起裂源處進(jìn)行能譜分析，結(jié)果未檢測(cè)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(shuō)明氫脆裂紋在螺栓表面萌生。該高強(qiáng)螺栓施擰過(guò)程均為電動(dòng)扳手完成，且施工過(guò)程中均按照規(guī)范要求進(jìn)行標(biāo)定，因此可排除超擰或欠擰導(dǎo)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(wú)明顯的宏觀(guān)塑性變形，斷面相對(duì)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(wú)腐蝕產(chǎn)物[6]，斷口晶粒表面上可見(jiàn)雞爪紋，雞爪紋為氫脆斷口的典型微觀(guān)形貌特征，因此可以判定該高強(qiáng)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(guò)程中會(huì)有一定的氫元素滲入，后處理中若除氫不徹底會(huì)導(dǎo)致螺栓內(nèi)的氫元素含量較多。該高強(qiáng)螺栓未及時(shí)進(jìn)行封閉處理，長(zhǎng)時(shí)間在雨水或水汽環(huán)境下服役，螺栓會(huì)與外界發(fā)生化學(xué)或者電化學(xué)反應(yīng)，進(jìn)而析出氫元素，導(dǎo)致螺栓發(fā)生氫脆。氫原子的尺寸較小，除了可以在晶體點(diǎn)陣中形成間隙原子外，也會(huì)占據(jù)晶體點(diǎn)陣中的位錯(cuò)、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(yīng)力和氫元素的共同作用下，螺栓會(huì)產(chǎn)生氫致裂紋[6]。氫致斷裂與氫元素的擴(kuò)散、聚集有關(guān)，氫致斷裂具有無(wú)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?yàn)椋郝菟ㄖ蠱n元素含量偏高，導(dǎo)致螺栓的耐腐蝕性降低，且螺栓長(zhǎng)時(shí)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(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)的螺栓。酸洗時(shí)，在酸洗液中添加緩蝕劑，縮短酸洗時(shí)間，以避免產(chǎn)生氫元素。采用低氫擴(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層，如機(jī)械鍍鋅或無(wú)鉻鋅鋁涂層，以避免發(fā)生氫脆。