鋼網架用高強螺栓的斷裂原因分析

王 軍, 李桂芹, 蘇建鋒, 尹亞豪

(國家金屬制品質量監督檢驗中心, 鄭州 450001)

質量控制與失效分析

鋼網架用高強螺栓的斷裂原因分析

王 軍, 李桂芹, 蘇建鋒, 尹亞豪

(國家金屬制品質量監督檢驗中心, 鄭州 450001)

某鋼網架廠房中的高強螺栓在使用過程中出現早期斷裂現象。采用宏觀檢驗、化學成分分析、硬度測試、掃描電鏡及能譜分析等方法，對螺栓斷裂的原因進行了分析。結果表明：該高強螺栓斷裂主要是由于其內部存在冶金缺陷及熱處理工藝不當；在承載力作用下，存在較多夾渣缺陷的螺栓心部產生應力集中并萌生裂紋，同時不良的調質熱處理組織增加了螺栓的脆性，從而導致了螺栓的快速脆性斷裂。最后提出了相應的預防措施。

高強螺栓；脆性斷裂；冶金缺陷；調質熱處理

鋼網架高強螺栓作為空間網架螺栓球節點的重要零件，直接傳遞交變載荷引起的交變應力，因此對其綜合力學性能的要求很高。目前高強螺栓延遲脆性斷裂的現象屢見不鮮，導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、安裝使用不當以及外界環境等[1-6]。某鋼網架高強螺栓安裝后約1 a(年)，在例行檢查時發生有1個螺栓出現斷裂，螺栓規格為M56 mm，性能等級為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生的原因，筆者對其進行了理化檢驗和分析。

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

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

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，擴展區呈現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。整個斷面呈拉應力脆性斷裂特征(圖2)，斷口表面銹蝕應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 化學成分分析

從斷裂高強螺栓外表面至中心取3處試樣進行化學成分分析，結果見表1。可以看出，螺栓的化學成分符合GB/T 16939-2016《鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓》[7]對該螺栓材料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。

表1 螺栓化學成分分析結果(質量分數)

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

項目CSiMnSPCr表面實測值0.390.270.650.0050.0250.97中層實測值0.410.270.660.0050.0260.98心部實測值0.380.270.650.0040.0260.97標準值0.37～0.440.17～0.370.50～0.80≤0.035≤0.0350.80～1.10

1.3 硬度測試

對螺栓桿部表面及心部進行洛氏硬度測試，結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

對螺栓斷口進行掃描電鏡觀察，可見斷裂源區與擴展區基本為解理脆性斷裂特征(圖3)。對斷裂源區與擴展區進行能譜分析，可知鐵、氧元素的質量分數分別為67.79%和29.09%(圖4)，因此該密集區的主要成分應為氧化鐵。試樣邊緣部分呈現45°剪切唇狀態，斷口形貌為韌窩，可判斷為最終瞬斷區(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

取螺栓斷口橫截面試樣進行金相檢驗，結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)，為正常調質組織。脫碳層深度為0.02 mm，無全脫碳層，脫碳層檢驗正常。在非斷口處取樣進行金相檢驗，顯微組織及脫碳層檢驗結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

在螺栓斷口附近取樣進行非金屬夾雜物檢驗，發現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徑向截面處進行非金屬夾雜物檢驗，檢驗面積大于200 mm2，檢驗結果為：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類的粗系夾雜物級別偏高。

2 分析與討論

從斷口的微觀觀察及能譜分析結果可見，夾渣冶金缺陷的存在是該高強螺栓斷裂的主要原因。夾渣一般認為是金屬在熔煉過程中與外界物質接觸發生作用產生的夾雜物，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壁剝落的耐火材料在鋼液凝固前未及時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則，尺寸比較大，分布也沒有規律，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，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，進而形成馬氏體等異常組織。

由金相檢驗結果可知，熱處理工藝控制不當，不能獲得所需的組織，是導致高強螺栓斷裂的另一原因。按照一般的工藝要求，40Cr鋼的調質組織應為回火索氏體，允許有少量的鐵素體。但該調質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，同時因在鐵素體條間存在細長條狀的碳化物沉淀，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變區以下、奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度(Ms點)以上的中溫區轉變的產物，屬于鐵素體和滲碳體兩相組織。通常在淬火時冷卻速率過低極易使冷卻曲線碰到過冷奧氏體轉變曲線(C曲線)的鼻尖，而使材料發生上貝氏體轉變，導致材料性能的下降。回火屈氏體的出現是由于回火溫度偏低造成的。

綜上所述，該高強螺栓冶煉后在其內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部偏析，阻斷了金屬的連續性；同時該螺栓進行熱處理后，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，增加了組織內部應力。在使用過程中，首先在螺栓心部的組織疏松、孔隙、夾渣聚集處產生應力集中，裂紋萌生并擴展，在組織應力的作用下，螺栓迅速斷裂失效。

3 結論及建議

(1) 該高強螺栓斷裂主要是由于內部存在冶金缺陷及熱處理工藝不當。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生應力集中并萌生裂紋，同時不正常的調質組織也產生了一定的組織應力增加了螺栓的脆性，進而導致螺栓快速斷裂。

(2) 建議在原料生產時加強粗大夾渣的控制，并減少外來夾雜物對鋼液的污染；建議制定合適的調質熱處理工藝規程，并嚴格執行淬火及回火工藝參數，防止不良組織的出現。

[1] 宋志慧,鄭慧敏.鋼結構高強螺栓脆性斷裂的研究現狀[J].建材技術與應用,2012,159(1):11-13.

[2] 張君,溫寶峰,趙江濤,等.風力發電機塔筒緊固用高強螺栓斷裂失效分析[J].理化檢驗-物理分冊,2014,50(12):933-935.

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

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

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

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

[7] GB/T 16939-2016 鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓[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，主要從事金相檢驗及失效分析工作，39932579@qq.com

TG115.2

B

1001-4012(2017)07-0500-04