扁圓頭方頸螺栓是一種常用的螺紋緊固件。螺栓材料為304不銹鋼,扁圓頭方頸螺栓具有優異的耐腐蝕性、耐高溫性以及良好的力學性能,廣泛應用于機械工程、交通工具、建筑工程和高速公路護欄等領域[1]。服役狀態下的扁圓頭方頸螺栓的失效嚴重威脅機械設備的運行安全[2]。為此,對扁圓頭方頸螺栓的斷裂原因進行分析,對于其結構設計、制造工藝、質量檢驗和使用維護具有重要的意義。 

某設備在役304不銹鋼扁圓頭方頸螺栓在緊固使用一段時間后,再次正常緊固復檢時發生了斷裂現象。該批次扁圓頭方頸螺栓的制造工藝為：下料→成形→搓牙→洗光→成品檢驗→包裝。筆者采用宏觀觀察、化學成分分析、斷口分析、金相檢驗、金屬流線檢測、著色滲透檢測和力學性能測試等方法對螺栓斷裂原因進行分析,并提出相應的改進措施與建議,以防止該類事故再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂扁圓頭方頸螺栓由桿部和頭部組成,二者通過方頸連接,斷裂螺栓宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：斷裂發生于螺栓頭部與方頸的連接處,斷口附近不存在明顯塑性變形、磨損、腐蝕等現象。 

圖  1  斷裂螺栓宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在扁圓頭方頸螺栓斷口區域取樣,采用直讀式光譜儀對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 4356—2016 《不銹鋼盤條》對304不銹鋼的要求。 

1.3   斷口分析

在光學顯微鏡下觀察斷口,斷口低倍形貌如圖2所示。由圖2可知：斷口平齊潔凈,表面金屬呈亮灰色,可見明顯的放射狀條紋,條紋收斂于斷口內部(如圖中箭頭所示),斷面無明顯擠壓磨損或腐蝕現象。 

圖  2  螺栓斷口低倍形貌

為進一步分析斷口微觀形貌,采用掃描電鏡(SEM)對斷口區域的A、B、C、D 4個部位進行分析。螺栓斷口的SEM形貌如圖3所示。由圖3可知：斷口總體呈明顯的解理斷裂特征,其中,僅D區可見較為明顯的韌窩特征[3]。 

圖  3  螺栓斷口的SEM形貌

1.4   金相檢驗

用光學顯微鏡觀察斷裂螺栓頭部的縱截面,結果如圖4所示。由圖4可知：頭部金屬流線連續,且沿外形分布,斷裂處并非是螺栓頭部金屬流線的密集部位(變形最大區域)。 

圖  4  螺栓頭部縱截面微觀形貌

斷裂起始區的微觀形貌如圖5所示。由圖5可知：斷裂起始區無明顯的夾雜物、疏松等冶金缺陷。 

圖  5  螺栓斷裂起始區微觀形貌

螺栓斷口非金屬夾雜物微觀形貌如圖6所示,根據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》規定,判定該非金屬夾雜物為D類細系0.5級,符合標準要求。 

圖  6  螺栓斷口非金屬夾雜物微觀形貌

1.5   金屬流線檢測

對同批次扁圓頭方頸螺栓試樣頭部進行金屬流線檢測,螺栓試樣頭部金屬流線如圖7所示。由圖7可知：同批次扁圓頭方頸螺栓試樣的金屬流線相對于中心線基本對稱,流線清晰且連續完整,無不均勻和紊流的現象[4]。 

圖  7  螺栓試樣頭部金屬流線

1.6   著色滲透檢測

采用著色滲透檢測法對同批次扁圓頭方頸螺栓試樣進行裂紋檢測,結果表明：螺栓頭部與方頸結合處不存在裂紋缺陷,排除了金屬原始裂紋導致螺栓斷裂的原因。 

1.7   力學性能測試

采用材料拉伸試驗機對同批次的完好扁圓頭方頸螺栓試樣進行室溫軸向強度測試,獲得抗拉強度、屈服強度等指標,結果如表2所示。斷裂位置并未發生在頭桿與方頸結合處,且斷口存在明顯的塑性變形,斷面與軸向呈45°角,判斷為正常的塑性斷裂。由表2可知：扁圓頭方頸螺栓材料的抗拉強度符合GB/T 3098.6—2023 《緊固件機械性能 不銹鋼螺栓、螺釘和螺柱》標準要求。 

2.   綜合分析

綜上所述,斷裂螺栓試樣的顯微組織、非金屬夾雜物、頭部金屬流線、冶金缺陷和化學成分均無異常。同批次螺栓試樣的金屬流線檢測、裂紋檢測結果均正常,抗拉強度、斷裂位置均符合相應標準要求。 

扁圓頭方頸螺栓斷裂位置為頭部與方頸的連接處,斷口附近無明顯塑性變形。斷口平坦潔凈,可見明顯的放射狀條紋,條紋收斂于斷口內部,說明斷裂起始于頭部的心部位置[5]。斷口呈大面積的解理斷裂特征,結合螺栓斷裂是發生在再次鎖緊的工況下,因此判定斷裂扁圓頭方頸螺栓的斷裂性質為脆性過載斷裂。 

一般情況下,奧氏體不銹鋼發生過載斷裂時應呈現韌性斷裂特征,即斷口微觀形貌以韌窩形狀為主[6－7]。因此,判斷螺栓斷裂形式屬于非正常斷裂,其原因與頭部斷裂起始區存在應力集中有關。雖然在同批次螺栓試樣中未發現內部金屬流線問題,但根據文獻[4]推斷,失效螺栓試樣的應力集中主要由頭部斷裂起始區的金屬流線紊亂引起。 

3.   結論與建議

(1) 螺栓斷裂性質為脆性過載斷裂。 

(2) 螺栓斷裂原因與頭部斷裂起始區存在應力集中有關,而造成應力集中的原因主要為內部金屬流線紊亂,建議后續增大螺栓金相檢驗抽檢頻率,改進螺栓的成形質量。 

文章來源——材料與測試網