某钢结构螺栓失效分析

邱康勇，张 杰，吴继权
（深圳市特种设备安全检验研究院，深圳 ５１８０２９）
摘 要：某公司一户外钢结构楼梯螺栓发生断裂失效，采用宏观分析、化学成分分析、金相分析、
硬度测试、断口分析等方法对螺栓断裂原因进行了分析。结果表明：螺栓断裂主要是因为螺栓部分
新鲜表面暴露在空气中，在腐蚀性环境和应力的共同作用下，应力集中的螺栓根部开始萌生裂纹，裂纹由外向内扩展，Z终造成一次性断裂。
关键词：钢结构；螺栓；断裂；腐蚀；应力集中

户外钢结构楼梯具有强度高、自重轻、施工速度快、抗震性能好、便于安装和拆卸等特点；同时户外钢结构楼梯在制作安装时，表面进行了喷塑、浸锌或烤漆等技术处理［１］，因而还具有造型美观、价格适宜、经济实用、防台风、隔热、隔音、保温、防潮等特点。

某公司在对户外钢结构楼梯进行检查时发现，一固定螺栓发生断裂失效。断裂螺栓标称材料为2０ＭｎＴｉＢ钢,规格为Ｍ２０ｍｍ×７０ｍｍ,性能等级为10.9S，为高强度螺栓。

该螺栓作为紧固件应用于户外钢结构楼梯，如图１所示，于２０１６年１２月发生断裂，累计使用时间约为２ａ（年）。高强度螺栓其抗拉强度大，表面硬度高，力学性能好；热处理一般采用调质处理，即淬火＋高温回火；表面处理常采用表面磷化或者表面氧化。该断裂螺栓热处理工艺为调质处理，表面处理工艺为发黑处理。为查明该螺栓断裂失效原因，笔者对其进行了检验和分析。
１ 理化检验
１．１ 宏观分析
  失效螺栓的整体宏观形貌见图２，可见螺栓表面涂有黄色油漆，但油漆面不完整，螺栓断裂位置为螺栓根部，该处为应力集中位置。螺栓断口的整体宏观形貌见图３，断口上可见明显的锈迹，断口较为平整，没有明显的塑性变形，断口上存在明显的扩展条纹，扩展条纹的收敛处为起裂源,扩展条纹Z终发散方向附近存在断裂台阶，该处为Z后断裂区［２］。图４为起裂源区局部放大形貌，可见起裂源位于螺栓边缘，裂纹呈扇形由外向内扩展。
１．２ 化学成分分析
  在断裂螺栓上截取光谱试样，经清洗、干燥、打磨后采用台式直读光谱仪进行 化学成分分析，
结 果 见 表１。

可见断裂螺栓的各元素含量 均 符 合ＧＢ／Ｔ３０７７－２０１５《合金结构钢》对２０ＭｎＴｉＢ 钢成分的技术要求。
１．３ 金相分析
１．３．１ 横截面金相分析
在螺栓断口附近截取横截面试样，经镶嵌、打磨、抛光、４％（体积分数）硝酸酒精溶液化学侵蚀后在光学显微镜下观察。试样显微组织形貌见图５，为均匀的回火索氏体［３］，未见明显异常。１．３．２ 纵截面金相分析在螺栓头部断口起裂源区域截取纵截面试样，经镶嵌、打磨、抛光、４％硝酸酒精溶液化学侵蚀后进行显微组织观察。由图６可见，靠近断口附近，有晶粒脱落现象存在［４］。
１．４ 硬度测试
在螺栓断口附近截取横截面试样，经镶嵌、打磨、抛光后进行维氏硬度试验，试验贯穿试样整个横截面，结 果 见 表 ２。

可见螺栓硬度测试结果符合ＧＢ／Ｔ３０９８．１－２０１０对１０．９Ｓ级螺栓的技术要求，且整个横截面硬度分布比较均匀，未出现明显较大波动。

标准值

１．５ 断口扫描电镜分析
１．５．１ 起裂源区及其附近表面覆盖物形貌及成分分析将螺栓断口切取下来，经无水酒精清洗干净、干燥后，置于扫描电镜（ＳＥＭ）内进行观察。螺栓起裂源区及其附近表面可见明显的覆盖物，覆盖物形貌及能谱（ＥＤＳ）分析结果见图７。由能谱分析结果可推断出，该覆盖物以铁的氧化物为主，同时还有少量的钠、氯、硫等元素。

１．５．２ 断口微观形貌分析将断口进行进一步清洗干净、干燥后，置于扫描电镜内进行观察。图８ 为螺栓断口起裂源区形貌，
可以看到冰糖状沿晶断裂形貌，且晶界处存在二次裂纹。图９为裂纹扩展区形貌，同样可见冰糖状形貌及晶界处的二次裂纹，同时可见有韧窝存在。图１０为Z后断裂区形貌，可见大量的撕裂棱及细小韧窝，为一次性断裂［５］。

２ 综合分析由以上理化检验结果可知：断裂螺栓化学成分符合 ＧＢ／Ｔ３０７７－２０１５ 对 ２０ＭｎＴｉＢ 钢的技术要求；显微组织为均匀的回火索氏体，且整个截面显微组织均匀；横截面维氏硬度试验结果亦均匀，未出现明显较大波动，与均匀的显微组织相吻合。

螺栓在使用过程中除了承受预紧力之外，根据螺栓的安装位置可知其还承受一定的剪切应力；从断裂螺栓的宏观形貌可以看出断裂发生在螺栓根部处，该处为应力集中区域，在螺栓断口纵截面金相中可以看到晶粒脱落现象，印证了螺栓断裂前承受较大的应力。螺栓表面油漆有脱落现象存在，而螺栓使用环境处于海边，空气中含有较多的水分和盐分，从而可以判断螺栓会受到腐蚀。由能谱分析结果可知，断口表面的覆盖物以氧化物为主，同时存在钠、氯、硫等元素，从而印证了腐蚀现象的存在。断口微观形貌分析结果表明，起裂源区主要呈冰糖状形貌，扩展区同样可见少量冰糖状形貌及部分细小韧窝，Z后断裂区可见大量的撕裂棱及细小韧窝，为一次性断裂特征。综合以上分析认为，螺栓部分新鲜表面暴露在空气中，在腐蚀性环境和应力的共同作用下，螺栓根部萌生裂纹，裂纹由外向内扩展，Z终造成一次性断裂。
３ 结论及建议
螺栓断裂的主要原因为部分新鲜表面暴露在空气中，在腐蚀性环境和应力的共同作用下，于应力集中的螺栓根部处起裂，裂纹由外向内扩展，Z终造成一次性断裂。

建议对其他螺栓表面油漆完整性进行检查，防止螺栓直接暴露在空气中；另螺栓在装载过程中，应注意预紧力不要过大。
参考文献：
［１］ 张奎志，刘刚，曲政．电厂 钢 结 构 腐 蚀 防 护 应 用［Ｊ］．
全面腐蚀控制，２００４，１８（５）：４２－４４．
［２］ 张栋．失效分析［Ｍ］．北京：国防工业出版社，２００４．
［３］ 张建国．２０ＭｎＴｉＢ高强螺栓断裂原因分析［Ｊ］．热处
理技术与装备，２０１１，３２（５）：４４－４６．
［４］ 张彦文，吴立新，王志奋，等．储气球罐 连 接 阀 螺 栓 断
裂分析［Ｊ］．理化检验（物理分册），２０１３，４９（９）：６２８－６３１．
［５］ 王弘，高庆，戴振羽．２０ＭｎＴｉＢ 钢螺栓断裂失效分析
［Ｊ］．理化检验（物理分册），２００３，３９（８）：４２６－４２９