摘 要:某鐵路主橋鋼桁梁桿間20MnTiB鋼高強(qiáng)螺栓發(fā)生斷裂。采用復(fù)檢試驗、化學(xué)成分分 析、金相檢驗、硬度測試、力學(xué)性能測試和斷口分析等方法,分析了螺栓斷裂的原因。結(jié)果表明:螺 栓的斷裂形式為氫致斷裂,斷裂原因是螺栓中錳元素含量偏高,導(dǎo)致耐腐蝕性下降,長期在潮濕環(huán) 境下服役,致使螺栓發(fā)生氫致斷裂。

關(guān)鍵詞:20MnTiB鋼;鋼桁梁桿;高強(qiáng)螺栓;氫脆;氫致斷裂

中圖分類號:TB31;TG115;TH131.3 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0039-04

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(guān)問題處理不當(dāng)都會導(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)計標(biāo)準(zhǔn)或者原始材料 存在顯微缺陷時,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。 在安裝螺栓時若裝配應(yīng)力過大,會損傷螺栓局部 表面,導(dǎo)致螺栓出現(xiàn)過載或者預(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,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(dāng),螺栓的組織轉(zhuǎn)變不充分, 會導(dǎo)致螺栓強(qiáng)度和硬度不符合設(shè)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(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 對螺栓桿預(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,以避免該類問題再次發(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24mm× 90mm(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(shè)計螺栓共276032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,且螺栓斷口沒有進(jìn)行相應(yīng)的外觀保護(hù)處 理,斷口處嚴(yán)重氧化生銹(見圖1)。高強(qiáng)螺栓的制造 工藝為:熱軋盤條→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。

2 理化檢驗

2.1 復(fù)檢試驗

對斷裂螺栓同批次生產(chǎn)的螺栓進(jìn)行復(fù)檢試驗。 高強(qiáng)螺栓的復(fù)檢試驗有:螺栓楔負(fù)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(fù)檢試驗結(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/T4336— 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(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/T3077—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。

2.3 力學(xué)性能測試

根據(jù)GB/T230.1—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(jìn)行硬度 測試,結(jié)果如表2所示。根據(jù)GB/T228.1—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(jī)對同批次生產(chǎn)的螺栓進(jìn)行力學(xué)性能測試,結(jié) 果如表3所示?？梢娐菟ǖ挠捕群土W(xué)性能均符合 GB/T1231—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。

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(jìn)行研磨、腐蝕,然后用光學(xué)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/T3098.1— 2010《緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》的要求。

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(jìn)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(yīng)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(kuò)展;隨著裂紋的不斷擴(kuò)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(kuò)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]。

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(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(jìn)行能譜分析,結(jié) 果未檢測到磷、硫等有害雜質(zhì)元素。

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(qiáng)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(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 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(qiáng)螺栓的斷裂形式為氫致斷裂。螺栓表面采 用發(fā)黑處理,該工藝過程中會有一定的氫元素滲入, 后處理中若除氫不徹底會導(dǎo)致螺栓內(nèi)的氫元素含量 較多。該高強(qiáng)螺栓未及時進(jìn)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(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,也會占據(jù)晶體點(diǎn)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(yīng)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(kuò)散、聚集有 關(guān),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(dǎo)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(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)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(kuò)散性和低氫溶解度的鍍涂層, 如機(jī)械鍍鋅或無鉻鋅鋁涂層,以避免發(fā)生氫脆。

參考文獻(xiàn):

[1] 姜招喜,許宗凡,張挺.緊固件制備與典型失效案例 [M].北京:國防工業(yè)出版社,2015.

[2] 齊延生,胡曉峰,王靜,等.高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析 [J].理化檢驗(物理分冊),2018,54(5):359-363.

[3] 陸春振.橋梁用高強(qiáng)度螺栓延遲斷裂研究[D].北 京:中國鐵道科學(xué)研究院,2019.

[4] 焦麗,王國亮,徐向陽,等.柴油機(jī)曲軸斷裂原因分析 [J].金屬熱處理,2015,40(8):195-198.

[5] 焦麗,趙英軍,張偉民,等.12.9級高強(qiáng)度螺栓斷裂原 因分析[J].熱處理,2020,35(4):42-45.

[6] 鐘群鵬,趙子華.斷口學(xué)[M].北京:高等教育出版 社,2006.

<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗－物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:39-42)>