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M20鋼高強度螺栓斷裂原因-失效案例分析-舞臺高強度螺栓悄悄斷裂,氫脆挺可怕!

據委托方介紹，來樣為M20鋼結構大六角頭螺栓，等級為10.9S，材質為20MnTiB。該螺栓為舞臺桁架聯接螺栓，舞臺于2012年竣工，在2015年12月1日檢修時，管理人員發現劇院舞臺有螺母掉落。該舞臺桁架用于掛設劇院舞臺幕布，由于桁架使用過程中，部分螺栓掉落，2016年3月2日施工單位進行檢修并更換了19顆螺栓。現場采用高強螺栓軸力扭矩復合測試儀對舞臺桁架的高強螺栓聯接狀況進行了檢測，發現原有螺栓扭矩及預拉力基本符合規范要求，部分螺栓存在預拉力過大現象，部分螺栓螺桿有變形，無法將螺栓取出。此外，委托方未能提供螺栓具體生產工藝、現場安裝等相關詳細信息。

為找到斷裂原因，消除安全隱患，筆者對斷裂螺栓進行了失效分析。

1. 理化檢驗

（1）宏觀分析

對螺栓斷口形貌進行觀察，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，該部位應為螺母緊固界面處，無明顯塑性變形。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，高度可達兩牙高度，且有些銹蝕。斷面顏色呈黑色和灰色兩區域，黑色區域可見明顯的放射線條紋，且匯聚于一側螺牙底部，低倍下放大后可見一些閃光小刻面，呈脆性斷裂特征。裂源兩側周向邊緣存在剪切唇特征。灰色區域斷口與軸向呈一定角度，斷面較粗糙，為后續擴展斷裂區域。

圖2 斷口宏觀形貌

宏觀分析螺栓斷裂模式為脆性斷裂。

（2）微觀斷口分析

將螺栓斷口清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察：

①裂紋源區可見明顯的放射線形貌，呈冰糖狀沿晶斷裂形貌，放大后晶面上可見雞爪痕、微小孔洞形貌，斷口可見大量沿晶二次裂紋形貌，呈氫致開裂特征。裂紋源附近螺牙表面可見銹蝕孔洞，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 擴展后期韌窩+沿晶特征（1100×）

②擴展區前期（裂紋源至螺栓心部區域）呈沿晶+韌窩斷裂形貌，擴展后期（螺栓心部至瞬斷區）為韌窩+沿晶特征。螺栓斷裂機制為沿晶脆性斷裂，呈氫致開裂特征。

（3）化學成分檢驗

從螺栓斷口下方取樣進行化學成分分析，結果如表1所示。

表1 螺栓斷口化學成分（質量分數）（%）

從化學成分分析結果可見，斷裂螺栓的化學成分符合GB/T3077—2015中20MnTiB的要求。

（4）金相檢驗

從裂源及螺栓心部取縱截面試樣，按GB/T13298—2015進行制樣，隨后在光學顯微鏡下觀察，結果如下：根據GB/T10561—2005/ISO 4967：1998（E）中的實際檢驗A法和ISO評級圖進行評定：螺栓心部的非金屬夾雜物級別評為A0、B0、C0.5、D0.5，材料純凈度較好（見圖9）。螺栓心部顯微組織為回火索氏體+鐵素體，屬正常組織（見圖10）。

圖9 心部拋光態（100×）

圖10 心部顯微組織（500×）

圖11、圖12為裂紋源拋光態及顯微組織形貌，從圖中可見，裂紋源部位未見明顯的非金屬夾雜物聚集，腐蝕后無明顯的熱處理缺陷。斷面以沿晶斷裂形式擴展，斷口未見脫碳及氧化特征。圖13為斷裂螺紋相鄰牙底，未見裂紋及明顯缺陷。

圖11 斷口拋光態（100×）

圖12 斷口顯微組織（500×）

圖13 牙底拋光態（100×）

（5）硬度檢驗

從斷裂螺栓的斷口下方附近取橫向截面試樣進行洛氏硬度試驗，檢驗結果為37.6HRC，符合GB/T3098.1—2010中規定的32~39HRC要求。

（6）低倍檢驗

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，根據標準GB/T 226—2015規定，經磨光后，使用1:1工業鹽酸水溶液進行熱酸蝕試驗，與GB/T1979—2001中的評級圖對比，結果如表2所示，形貌如圖14所示。

表2 低倍缺陷類型及級別（級）

圖14 斷裂螺栓低倍酸蝕形貌

2. 分析與討論

螺栓斷口呈沿晶斷裂特征，晶面上可見雞爪紋、微小孔洞痕跡，呈氫致脆性開裂特征。

氫致脆性開裂在高強度材料中較易發生，由于氫原子擴散到金屬中，一段時間后在一定大小的應力作用下氫原子在晶界或材料缺陷處聚集成氫分子而產生壓力，形成延遲微裂紋。經分析表明，送檢斷裂螺栓的氫致脆性開裂原因主要有：

（1）材料

螺栓的強度越高，對氫脆的敏感性就越強。一般認為1000MPa是一個危險水平，即抗拉強度低于1000MPa時鋼材耐延遲開裂的性能相對較好，而當材料抗拉強度大于1000MPa時，延遲斷裂敏感性較高。

（2）環境

根據宏觀檢驗發現，斷裂螺栓斷口附近銹蝕明顯，故螺栓使用環境較為潮濕，在該條件下易于氫離子附著于構件表面，并向內滲入引起延遲斷裂。

（3）應力

金屬材料受外力作用時，材料內部的應力分布是不均勻的，在材料外形迅速過渡區域或在材料內部缺陷和微裂紋處會產生應力集中，在應力梯度作用下氫原子在晶格內擴散或跟隨位錯運動向應力集中區域。由于氫和金屬原子之間的交互作用使金屬原子間的結合力變弱，這樣在高氫區會萌生出裂紋并擴展，導致了脆斷。另外，部分螺栓存在預拉力過大現象，增加了樣件的氫脆敏感性，符合延遲斷裂特征。

在后續使用過程中，需要對螺栓定期維護，若仍發現有螺栓斷裂現象，建議更換該批次螺栓，并嚴格按標準要求進行安裝施工。

3. 結語

所檢M20鋼結構大六角螺栓斷裂原因：螺栓斷裂機制為氫致脆性延遲斷裂。

作者：王嘉暢、馮文沖，上海寶冶工程技術有限公司

張海兵，浙江運達風電股份有限公司

來源：《金屬加工（熱加工）》雜志