分享：鋼網(wǎng)架用高強螺栓的斷裂原因分析

摘 要:某鋼網(wǎng)架廠房中的高強螺栓在使用過程中出現(xiàn)早期斷裂現(xiàn)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(jié)果表明:該高強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;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,同時不良的調(diào)質(zhì)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(yīng)的預防措施.

關(guān)鍵詞:高強螺栓;脆性斷裂;冶金缺陷;調(diào)質(zhì)熱處理

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０１７)０７Ｇ０５００Ｇ０４

ReasonAnalysisonFractureofaHighＧStrengthBoltforSteelGridStructure

WANGJun,LIGuiqin,SUJianfeng,YINYahao

(NationalQualitySupervisionandInspectionCenterforMetallicProducts,Zhengzhou４５０００１,China)

Abstract:A highＧstrengthboltforsteelgridstructurefracturedearlyduringuse．Baseon macroscopic

inspection,chemicalcompositionanalysis,hardnesstesting,scanningelectron microscopeandspectrumanalysis

andsoon,thefracturereasonsoftheboltwereanalyzed．Theresultsshowthat:thefractureoftheboltwasmainlycausedbythepresenceofmetallurgicaldefectsandinadequateheattreatmenttechnology;undertheactionofthe

load,thestressconcentrationwasproducedinthecenteroftheboltwithalargenumberofslaginclusions,then

cracksourceappearedintheregionofthestressconcentration;meanwhile,thepoortemperingheattreatment

structureincreasedthebrittlenessofthebolt,andultimatelyresultedintherapidbrittlenessfractureofthebolt．

Finallythecorrespondingpreventivemeasureswereputforward．

Keywords:highＧstrengthbolt;brittlenessfracture;metallurgicaldefect;temperingheattreatment

    鋼網(wǎng)架高強螺栓作為空間網(wǎng)架螺栓球節(jié)點的重要零件,直接傳遞交變載荷引起的交變應(yīng)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(xiàn)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(huán)境等[１Ｇ６].某鋼網(wǎng)架高強螺栓安裝后約１a(年),在例行檢查時發(fā)生有１個螺栓出現(xiàn)斷裂,螺栓規(guī)格為 M５６mm,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(fā) 生 的 原 因,筆 者 對 其 進 行 了 理 化 檢 驗 和分析.

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(qū)呈現(xiàn)一次性放射線特征且所占比例

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(jié)果見表１.可以看出,螺栓的化學成分符合 GB/T１６９３９－２０１６«鋼網(wǎng)架螺栓球節(jié)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.

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(jié)果顯示其桿部表面硬度為３４．０~３４．５HRC,心部硬度為３４．５~３６．０HRC,符合 GB/T１６９３９－２０１６中螺栓表面硬度為３２~３７HRC、心部硬度不小于２８HRC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(qū)與擴展區(qū)基本為解理脆性斷裂特征(圖３).對斷裂源區(qū)與擴展區(qū)進行能譜分析,可知鐵、氧元素的質(zhì)量分數(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).

１．５ 金相檢驗

    取螺栓斷口橫截面試樣進行金相檢驗,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２．０mm 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０．０２mm,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(jié)果基本與斷口處的一致,只是局部夾渣聚集較輕.

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(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徑向截面處進行非金屬夾雜物檢驗,檢驗面積大于２００ mm２,檢驗結(jié)果為:A１．５,A１．５e,B１．５,B０．５e,C１．５,C２．５e,D１,D０．５s(單粒０．０３２ mm×０．０５０mm),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(jié)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(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,進而形成馬氏體等異常組織.

    由金相檢驗結(jié)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(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(zhuǎn)變區(qū)以下、奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變的開始溫度(Ms 點)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,導致材料性能的下降.回火屈氏體的出現(xiàn)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(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(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.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,進而導致螺栓快速斷裂.

(２)建議在原料生產(chǎn)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(diào)質(zhì)熱處理工藝規(guī)程,并嚴格執(zhí)行淬火及回火工藝圖４ ?６６０mm×９．７mm３０CrMoE鋼管的顯微組織形貌的出現(xiàn)。

（文章來源：材料測試網(wǎng)-理化檢驗-物理分冊）