據(jù)委托方介紹，來(lái)樣為M20鋼結(jié)構(gòu)大六角頭螺栓，等級(jí)為10.9S，材質(zhì)為20MnTiB。該螺栓為舞臺(tái)桁架聯(lián)接螺栓，舞臺(tái)于2012年竣工，在2015年12月1日檢修時(shí)，管理人員發(fā)現(xiàn)劇院舞臺(tái)有螺母掉落。該舞臺(tái)桁架用于掛設(shè)劇院舞臺(tái)幕布，由于桁架使用過(guò)程中，部分螺栓掉落，2016年3月2日施工單位進(jìn)行檢修并更換了19顆螺栓。現(xiàn)場(chǎng)采用高強(qiáng)螺栓軸力扭矩復(fù)合測(cè)試儀對(duì)舞臺(tái)桁架的高強(qiáng)螺栓聯(lián)接狀況進(jìn)行了檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)原有螺栓扭矩及預(yù)拉力基本符合規(guī)范要求，部分螺栓存在預(yù)拉力過(guò)大現(xiàn)象，部分螺栓螺桿有變形，無(wú)法將螺栓取出。此外，委托方未能提供螺栓具體生產(chǎn)工藝、現(xiàn)場(chǎng)安裝等相關(guān)詳細(xì)信息。為找到斷裂原因，消除安全隱患，筆者對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行了失效分析。對(duì)螺栓斷口形貌進(jìn)行觀察，如圖1、圖2所示。螺栓大六角頭部涂有灰色防銹漆，桿部呈黑色，螺栓斷裂于距螺桿第2~3牙螺紋牙底，該部位應(yīng)為螺母緊固界面處，無(wú)明顯塑性變形。斷口至螺桿間螺紋呈褐黃色，存在明顯銹蝕痕跡。
圖1 螺栓宏觀形貌
斷面起伏較大，高度可達(dá)兩牙高度，且有些銹蝕。斷面顏色呈黑色和灰色兩區(qū)域，黑色區(qū)域可見(jiàn)明顯的放射線條紋，且匯聚于一側(cè)螺牙底部，低倍下放大后可見(jiàn)一些閃光小刻面，呈脆性斷裂特征。裂源兩側(cè)周向邊緣存在剪切唇特征。灰色區(qū)域斷口與軸向呈一定角度，斷面較粗糙，為后續(xù)擴(kuò)展斷裂區(qū)域。
圖2 斷口宏觀形貌
宏觀分析螺栓斷裂模式為脆性斷裂。
①裂紋源區(qū)可見(jiàn)明顯的放射線形貌，呈冰糖狀沿晶斷裂形貌，放大后晶面上可見(jiàn)雞爪痕、微小孔洞形貌，斷口可見(jiàn)大量沿晶二次裂紋形貌，呈氫致開(kāi)裂特征。裂紋源附近螺牙表面可見(jiàn)銹蝕孔洞，如圖3~圖8所示。
圖3 裂紋源低倍形貌（15×）
圖4 裂紋源高倍形貌（50×）
圖5 裂紋源放大形貌（270×）
圖6 裂紋源沿晶特征（750×）
圖7 裂紋源沿晶特征（1200×）
圖8 擴(kuò)展后期韌窩+沿晶特征（1100×）
②擴(kuò)展區(qū)前期（裂紋源至螺栓心部區(qū)域）呈沿晶+韌窩斷裂形貌，擴(kuò)展后期（螺栓心部至瞬斷區(qū)）為韌窩+沿晶特征。螺栓斷裂機(jī)制為沿晶脆性斷裂，呈氫致開(kāi)裂特征。從螺栓斷口下方取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。表1 螺栓斷口化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）
從化學(xué)成分分析結(jié)果可見(jiàn)，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T3077—2015中20MnTiB的要求。從裂源及螺栓心部取縱截面試樣，按GB/T13298—2015進(jìn)行制樣，隨后在光學(xué)顯微鏡下觀察，結(jié)果如下：根據(jù)GB/T10561—2005/ISO 4967：1998（E）中的實(shí)際檢驗(yàn)A法和ISO評(píng)級(jí)圖進(jìn)行評(píng)定：螺栓心部的非金屬夾雜物級(jí)別評(píng)為A0、B0、C0.5、D0.5，材料純凈度較好（見(jiàn)圖9）。螺栓心部顯微組織為回火索氏體+鐵素體，屬正常組織（見(jiàn)圖10）。
圖9 心部拋光態(tài)（100×）
圖10 心部顯微組織（500×）
圖11、圖12為裂紋源拋光態(tài)及顯微組織形貌，從圖中可見(jiàn)，裂紋源部位未見(jiàn)明顯的非金屬夾雜物聚集，腐蝕后無(wú)明顯的熱處理缺陷。斷面以沿晶斷裂形式擴(kuò)展，斷口未見(jiàn)脫碳及氧化特征。圖13為斷裂螺紋相鄰牙底，未見(jiàn)裂紋及明顯缺陷。
圖11 斷口拋光態(tài)（100×）
圖12 斷口顯微組織（500×）
圖13 牙底拋光態(tài)（100×）
從斷裂螺栓的斷口下方附近取橫向截面試樣進(jìn)行洛氏硬度試驗(yàn)，檢驗(yàn)結(jié)果為37.6HRC，符合GB/T3098.1—2010中規(guī)定的32~39HRC要求。分別在斷裂螺栓斷口下方及未使用螺栓相似部位截取橫向低倍試樣，根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 226—2015規(guī)定，經(jīng)磨光后，使用1:1工業(yè)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸蝕試驗(yàn)，與GB/T1979—2001中的評(píng)級(jí)圖對(duì)比，結(jié)果如表2所示，形貌如圖14所示。
螺栓斷口呈沿晶斷裂特征，晶面上可見(jiàn)雞爪紋、微小孔洞痕跡，呈氫致脆性開(kāi)裂特征。氫致脆性開(kāi)裂在高強(qiáng)度材料中較易發(fā)生，由于氫原子擴(kuò)散到金屬中，一段時(shí)間后在一定大小的應(yīng)力作用下氫原子在晶界或材料缺陷處聚集成氫分子而產(chǎn)生壓力，形成延遲微裂紋。經(jīng)分析表明，送檢斷裂螺栓的氫致脆性開(kāi)裂原因主要有：螺栓的強(qiáng)度越高，對(duì)氫脆的敏感性就越強(qiáng)。一般認(rèn)為1000MPa是一個(gè)危險(xiǎn)水平，即抗拉強(qiáng)度低于1000MPa時(shí)鋼材耐延遲開(kāi)裂的性能相對(duì)較好，而當(dāng)材料抗拉強(qiáng)度大于1000MPa時(shí)，延遲斷裂敏感性較高。根據(jù)宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，斷裂螺栓斷口附近銹蝕明顯，故螺栓使用環(huán)境較為潮濕，在該條件下易于氫離子附著于構(gòu)件表面，并向內(nèi)滲入引起延遲斷裂。金屬材料受外力作用時(shí)，材料內(nèi)部的應(yīng)力分布是不均勻的，在材料外形迅速過(guò)渡區(qū)域或在材料內(nèi)部缺陷和微裂紋處會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，在應(yīng)力梯度作用下氫原子在晶格內(nèi)擴(kuò)散或跟隨位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)向應(yīng)力集中區(qū)域。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結(jié)合力變?nèi)酰?/span>這樣在高氫區(qū)會(huì)萌生出裂紋并擴(kuò)展，導(dǎo)致了脆斷。另外，部分螺栓存在預(yù)拉力過(guò)大現(xiàn)象，增加了樣件的氫脆敏感性，符合延遲斷裂特征。在后續(xù)使用過(guò)程中，需要對(duì)螺栓定期維護(hù)，若仍發(fā)現(xiàn)有螺栓斷裂現(xiàn)象，建議更換該批次螺栓，并嚴(yán)格按標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行安裝施工。所檢M20鋼結(jié)構(gòu)大六角螺栓斷裂原因：螺栓斷裂機(jī)制為氫致脆性延遲斷裂。作者：王嘉暢、馮文沖，上海寶冶工程技術(shù)有限公司
張海兵，浙江運(yùn)達(dá)風(fēng)電股份有限公司
來(lái)源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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