某鋼結(jié)構(gòu)螺栓失效分析

邱康勇，張 杰，吳繼權(quán)
（深圳市特種設(shè)備安全檢驗(yàn)研究院，深圳 ５１８０２９）
摘 要：某公司一戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯螺栓發(fā)生斷裂失效，采用宏觀分析、化學(xué)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(jìn)行了分析。結(jié)果表明：螺栓斷裂主要是因?yàn)槁菟ú糠?br/>新鮮表面暴露在空氣中，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下，應(yīng)力集中的螺栓根部開始萌生裂紋，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展，Z終造成一次性斷裂。
關(guān)鍵詞：鋼結(jié)構(gòu)；螺栓；斷裂；腐蝕；應(yīng)力集中

戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯具有強(qiáng)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(diǎn)；同時戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯在制作安裝時，表面進(jìn)行了噴塑、浸鋅或烤漆等技術(shù)處理［１］，因而還具有造型美觀、價格適宜、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、防臺風(fēng)、隔熱、隔音、保溫、防潮等特點(diǎn)。

某公司在對戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯進(jìn)行檢查時發(fā)現(xiàn)，一固定螺栓發(fā)生斷裂失效。斷裂螺栓標(biāo)稱材料為2０ＭｎＴｉＢ鋼,規(guī)格為Ｍ２０ｍｍ×７０ｍｍ,性能等級為10.9S，為高強(qiáng)度螺栓。

該螺栓作為緊固件應(yīng)用于戶外鋼結(jié)構(gòu)樓梯，如圖１所示，于２０１６年１２月發(fā)生斷裂，累計使用時間約為２ａ（年）。高強(qiáng)度螺栓其抗拉強(qiáng)度大，表面硬度高，力學(xué)性能好；熱處理一般采用調(diào)質(zhì)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(diào)質(zhì)處理，表面處理工藝為發(fā)黑處理。為查明該螺栓斷裂失效原因，筆者對其進(jìn)行了檢驗(yàn)和分析。
１ 理化檢驗(yàn)
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(yīng)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(kuò)展條紋，擴(kuò)展條紋的收斂處為起裂源,擴(kuò)展條紋Z終發(fā)散方向附近存在斷裂臺階，該處為Z后斷裂區(qū)［２］。圖４為起裂源區(qū)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(nèi)擴(kuò)展。
１．２ 化學(xué)成分分析
  在斷裂螺栓上截取光譜試樣，經(jīng)清洗、干燥、打磨后采用臺式直讀光譜儀進(jìn)行 化學(xué)成分分析，
結(jié) 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(jié)構(gòu)鋼》對２０ＭｎＴｉＢ 鋼成分的技術(shù)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(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、４％（體積分?jǐn)?shù)）硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕后在光學(xué)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(qū)域截取縱截面試樣，經(jīng)鑲嵌、打磨、拋光、４％硝酸酒精溶液化學(xué)侵蝕后進(jìn)行顯微組織觀察。由圖６可見，靠近斷口附近，有晶粒脫落現(xiàn)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(jīng)鑲嵌、打磨、拋光后進(jìn)行維氏硬度試驗(yàn)，試驗(yàn)貫穿試樣整個橫截面，結(jié) 果 見 表 ２。

可見螺栓硬度測試結(jié)果符合ＧＢ／Ｔ３０９８．１－２０１０對１０．９Ｓ級螺栓的技術(shù)要求，且整個橫截面硬度分布比較均勻，未出現(xiàn)明顯較大波動。

標(biāo)準(zhǔn)值

１．５ 斷口掃描電鏡分析
１．５．１ 起裂源區(qū)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(jīng)無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡（ＳＥＭ）內(nèi)進(jìn)行觀察。螺栓起裂源區(qū)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(jié)果見圖７。由能譜分析結(jié)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(jìn)行進(jìn)一步清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡內(nèi)進(jìn)行觀察。圖８ 為螺栓斷口起裂源區(qū)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(kuò)展區(qū)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Z后斷裂區(qū)形貌，可見大量的撕裂棱及細(xì)小韌窩，為一次性斷裂［５］。

２ 綜合分析由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：斷裂螺栓化學(xué)成分符合 ＧＢ／Ｔ３０７７－２０１５ 對 ２０ＭｎＴｉＢ 鋼的技術(shù)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(yàn)結(jié)果亦均勻，未出現(xiàn)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(yù)緊力之外，根據(jù)螺栓的安裝位置可知其還承受一定的剪切應(yīng)力；從斷裂螺栓的宏觀形貌可以看出斷裂發(fā)生在螺栓根部處，該處為應(yīng)力集中區(qū)域，在螺栓斷口縱截面金相中可以看到晶粒脫落現(xiàn)象，印證了螺栓斷裂前承受較大的應(yīng)力。螺栓表面油漆有脫落現(xiàn)象存在，而螺栓使用環(huán)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(jié)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(xiàn)象的存在。斷口微觀形貌分析結(jié)果表明，起裂源區(qū)主要呈冰糖狀形貌，擴(kuò)展區(qū)同樣可見少量冰糖狀形貌及部分細(xì)小韌窩，Z后斷裂區(qū)可見大量的撕裂棱及細(xì)小韌窩，為一次性斷裂特征。綜合以上分析認(rèn)為，螺栓部分新鮮表面暴露在空氣中，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下，螺栓根部萌生裂紋，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展，Z終造成一次性斷裂。
３ 結(jié)論及建議
螺栓斷裂的主要原因?yàn)椴糠中迈r表面暴露在空氣中，在腐蝕性環(huán)境和應(yīng)力的共同作用下，于應(yīng)力集中的螺栓根部處起裂，裂紋由外向內(nèi)擴(kuò)展，Z終造成一次性斷裂。

建議對其他螺栓表面油漆完整性進(jìn)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(yīng)注意預(yù)緊力不要過大。
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