摘 要:某鋼網架廠房中的高強螺栓在使用過程中出現早期斷裂現象.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.結果表明:該高強螺栓斷裂主要是由于其內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生應力集中并萌生裂紋,同時不良的調質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.最后提出了相應的預防措施.
關鍵詞:高強螺栓;脆性斷裂;冶金缺陷;調質熱處理
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:thefractureoftheboltwasmainly
causedbythepresenceofmetallurgicaldefectsandinadequateheattreatmenttechnology;undertheactionofthe
load,thestressconcentrationwasproducedinthecenteroftheboltwithalargenumberofslaginclusions,then
cracksourceappearedintheregionofthestressconcentration;meanwhile,thepoortemperingheattreatment
structureincreasedthebrittlenessofthebolt,andultimatelyresultedintherapidbrittlenessfractureofthebolt．
Finallythecorrespondingpreventivemeasureswereputforward．
Keywords:highＧstrengthbolt;brittlenessfracture;metallurgicaldefect;temperingheattreatment
鋼網架高強螺栓作為空間網架螺栓球節點的重要零件,直接傳遞交變載荷引起的交變應力,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境等[１Ｇ６].某鋼網架高強螺栓安裝后約１a(年),在例行檢查時發生有１個螺栓出現斷裂,螺栓規格為 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 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,擴展區呈現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,結果見表１.可以看出,螺栓的化學成分符合 GB/T１６９３９－２０１６«鋼網架螺栓球節點用高強度螺栓»[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,可見斷裂源區與擴展區基本為解理脆性斷裂特征(圖３).對斷裂源區與擴展區進行能譜分析,可知鐵、氧元素的質量分數分別為６７．７９％和２９．０９％(圖４),因此該密集區的主要成分應為氧化鐵.試樣邊緣部分呈現４５°剪切唇狀態,斷口形貌為韌窩,可判斷為最終瞬斷區(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),為正常調質組織.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,發現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接觸發生作用產生的夾雜物,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
則,尺寸比較大,分布也沒有規律,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,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鋼的調質組織應為
回火索氏體,允許有少量的鐵素體.但該調質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變區以下、奧氏體向馬氏體轉變的開始溫度(Ms 點)以上的中溫區轉變的產物,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變曲線(C 曲線)的鼻尖,而使材料發生上貝氏體轉變,導致材料性能的下降.回火屈氏體的出現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部偏析,阻斷了金屬的連續性;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,增加了組織內部應力.在使用過程中,首先在螺栓心部的組織疏松、孔隙、夾渣聚集處產生應力集中,裂紋萌生并擴展,在組織應力的作用下,螺栓迅速斷裂失效.
３ 結論及建議
(１)該高強螺栓斷裂主要是由于內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生應力集中并萌生裂紋,同時不正常的調質組織也產生了一定的組織應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;建議制定合適的調質熱處理工藝規程,并嚴格執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。
