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    某鋼結構螺栓失效分析

    2021-05-22 12:00:00
    某鋼結構螺栓失效分析
    詳細介紹:

        某鋼結構螺栓失效分析

        邱康勇,張 杰,吳繼權

        (深圳市特種設備安全檢驗研究院,深圳 518029)

        摘 要:某公司一戶外鋼結構樓梯螺栓發生斷裂失效,采用宏觀分析、化學成分分析、金相分析、

        硬度測試、斷口分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析。結果表明:螺栓斷裂主要是因為螺栓部分

        新鮮表面暴露在空氣中,在腐蝕性環境和應力的共同作用下,應力集中的螺栓根部開始萌生裂紋,裂紋由外向內擴展,最終造成一次性斷裂。

        關鍵詞:鋼結構;螺栓;斷裂;腐蝕;應力集中

        戶外鋼結構樓梯具有強度高、自重輕、施工速度快、抗震性能好、便于安裝和拆卸等特點;同時戶外鋼結構樓梯在制作安裝時,表面進行了噴塑、浸鋅或烤漆等技術處理[1],因而還具有造型美觀、價格適宜、經濟實用、防臺風、隔熱、隔音、保溫、防潮等特點。

          某公司在對戶外鋼結構樓梯進行檢查時發現,一固定螺栓發生斷裂失效。斷裂螺栓標稱材料為20MnTiB鋼,規格為M20mm×70mm,性能等級為10.9S,為高強度螺栓。

        該螺栓作為緊固件應用于戶外鋼結構樓梯,如圖1所示,于2016年12月發生斷裂,累計使用時間約為2a(年)。高強度螺栓其抗拉強度大,表面硬度高,力學性能好;熱處理一般采用調質處理,即淬火+高溫回火;表面處理常采用表面磷化或者表面氧化。該斷裂螺栓熱處理工藝為調質處理,表面處理工藝為發黑處理。為查明該螺栓斷裂失效原因,筆者對其進行了檢驗和分析。

        1 理化檢驗

        1.1 宏觀分析

          失效螺栓的整體宏觀形貌見圖2,可見螺栓表面涂有黃色油漆,但油漆面不完整,螺栓斷裂位置為螺栓根部,該處為應力集中位置。螺栓斷口的整體宏觀形貌見圖3,斷口上可見明顯的銹跡,斷口較為平整,沒有明顯的塑性變形,斷口上存在明顯的擴展條紋,擴展條紋的收斂處為起裂源,擴展條紋最終發散方向附近存在斷裂臺階,該處為最后斷裂區[2]。圖4為起裂源區局部放大形貌,可見起裂源位于螺栓邊緣,裂紋呈扇形由外向內擴展。

        1.2 化學成分分析

          在斷裂螺栓上截取光譜試樣,經清洗、干燥、打磨后采用臺式直讀光譜儀進行 化學成分分析,

        結 果 見 表1。

        

         

        可見斷裂螺栓的各元素含量 均 符 合GB/T3077-2015《合金結構鋼》對20MnTiB 鋼成分的技術要求。

        1.3 金相分析

        1.3.1 橫截面金相分析

        在螺栓斷口附近截取橫截面試樣,經鑲嵌、打磨、拋光、4%(體積分數)硝酸酒精溶液化學侵蝕后在光學顯微鏡下觀察。試樣顯微組織形貌見圖5,為均勻的回火索氏體[3],未見明顯異常。1.3.2 縱截面金相分析在螺栓頭部斷口起裂源區域截取縱截面試樣,經鑲嵌、打磨、拋光、4%硝酸酒精溶液化學侵蝕后進行顯微組織觀察。由圖6可見,靠近斷口附近,有晶粒脫落現象存在[4]。

        1.4 硬度測試

          在螺栓斷口附近截取橫截面試樣,經鑲嵌、打磨、拋光后進行維氏硬度試驗,試驗貫穿試樣整個橫截面,結 果 見 表 2。

        

         

         可見螺栓硬度測試結果符合GB/T3098.1-2010對10.9S級螺栓的技術要求,且整個橫截面硬度分布比較均勻,未出現明顯較大波動。

        標準值

        1.5 斷口掃描電鏡分析

        1.5.1 起裂源區及其附近表面覆蓋物形貌及成分分析將螺栓斷口切取下來,經無水酒精清洗干凈、干燥后,置于掃描電鏡(SEM)內進行觀察。螺栓起裂源區及其附近表面可見明顯的覆蓋物,覆蓋物形貌及能譜(EDS)分析結果見圖7。由能譜分析結果可推斷出,該覆蓋物以鐵的氧化物為主,同時還有少量的鈉、氯、硫等元素。

        1.5.2 斷口微觀形貌分析將斷口進行進一步清洗干凈、干燥后,置于掃描電鏡內進行觀察。圖8 為螺栓斷口起裂源區形貌,

        可以看到冰糖狀沿晶斷裂形貌,且晶界處存在二次裂紋。圖9為裂紋擴展區形貌,同樣可見冰糖狀形貌及晶界處的二次裂紋,同時可見有韌窩存在。圖10為最后斷裂區形貌,可見大量的撕裂棱及細小韌窩,為一次性斷裂[5]。

        2 綜合分析由以上理化檢驗結果可知:斷裂螺栓化學成分符合 GB/T3077-2015 對 20MnTiB 鋼的技術要求;顯微組織為均勻的回火索氏體,且整個截面顯微組織均勻;橫截面維氏硬度試驗結果亦均勻,未出現明顯較大波動,與均勻的顯微組織相吻合。

        螺栓在使用過程中除了承受預緊力之外,根據螺栓的安裝位置可知其還承受一定的剪切應力;從斷裂螺栓的宏觀形貌可以看出斷裂發生在螺栓根部處,該處為應力集中區域,在螺栓斷口縱截面金相中可以看到晶粒脫落現象,印證了螺栓斷裂前承受較大的應力。螺栓表面油漆有脫落現象存在,而螺栓使用環境處于海邊,空氣中含有較多的水分和鹽分,從而可以判斷螺栓會受到腐蝕。由能譜分析結果可知,斷口表面的覆蓋物以氧化物為主,同時存在鈉、氯、硫等元素,從而印證了腐蝕現象的存在。斷口微觀形貌分析結果表明,起裂源區主要呈冰糖狀形貌,擴展區同樣可見少量冰糖狀形貌及部分細小韌窩,最后斷裂區可見大量的撕裂棱及細小韌窩,為一次性斷裂特征。綜合以上分析認為,螺栓部分新鮮表面暴露在空氣中,在腐蝕性環境和應力的共同作用下,螺栓根部萌生裂紋,裂紋由外向內擴展,最終造成一次性斷裂。

        3 結論及建議

        螺栓斷裂的主要原因為部分新鮮表面暴露在空氣中,在腐蝕性環境和應力的共同作用下,于應力集中的螺栓根部處起裂,裂紋由外向內擴展,最終造成一次性斷裂。

        建議對其他螺栓表面油漆完整性進行檢查,防止螺栓直接暴露在空氣中;另螺栓在裝載過程中,應注意預緊力不要過大。

        參考文獻:

        [1] 張奎志,劉剛,曲政.電廠 鋼 結 構 腐 蝕 防 護 應 用[J].

        全面腐蝕控制,2004,18(5):42-44.

        [2] 張棟.失效分析[M].北京:國防工業出版社,2004.

        [3] 張建國.20MnTiB高強螺栓斷裂原因分析[J].熱處

        理技術與裝備,2011,32(5):44-46.

        [4] 張彥文,吳立新,王志奮,等.儲氣球罐 連 接 閥 螺 栓 斷

        裂分析[J].理化檢驗(物理分冊),2013,49(9):628-

        631.

        [5] 王弘,高慶,戴振羽.20MnTiB 鋼螺栓斷裂失效分析

        [J].理化檢驗(物理分冊),2003,39(8):426-429

        

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