2019年 第10期热加工
M
材料缺陷
aterial Failure
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高强度螺栓断裂原因分析
■ 王嘉畅，冯文冲，张海兵
摘要：针对10.9S 级高强度螺栓失效问题，采用金相检验、化学成分分析和扫描电子显微镜及能谱仪等方法进行分析。
结果表明：由于螺栓材料本身含有的氢在螺栓较大的安装应力下聚集，因此导致氢致延迟开裂，造成螺栓失效。
关键词：高强度螺栓；氢脆；失效
据委托方介绍，来样为M20钢结构大六角头螺栓，等级为10.9S ，材质为20MnTiB 。
该螺栓为舞台桁架联接螺栓，舞台于2012年竣工，在2015年12月1日检修时，管理人员发现剧院舞台有螺母掉落。
该舞台桁架用于挂设剧院舞台幕布，由于桁架使用过程中，部分螺栓掉落，2016年3月2日施工单位进行检修并更换了19颗螺栓。
现场采用高强螺栓轴力扭矩复合测试仪对舞台桁架的高强螺栓联接状况进行了检测，发现原有螺栓扭矩及预拉力基本符合规范要求，部分螺栓存在预拉力过大现象，部分螺栓螺杆有变形，无法将螺栓取出。
此外，委托方未能提供螺栓具体生产工艺、现场安装等相关详细信息。
为找到断裂原因，消除安全隐患，笔者对断裂螺栓进行了失效分析。
1. 理化检验
（1）宏观分析 对螺栓断
口形貌进行观察，如图1、图2所示。
螺栓大六角头部涂有灰色防锈漆，杆部呈黑色，螺栓断裂于距螺杆第2~3牙螺纹牙底，该部位应为螺母紧固界面处，无明显塑性变形。
断口至螺杆间螺纹呈褐黄色，存在明显锈蚀痕迹。
断面起伏较大，高度可达两牙高度，且有些锈蚀。
断面颜色呈黑色和灰色两区域，黑色区域可见明显的放射线条纹，且汇聚于一侧螺牙底部，低倍下放大后可见一些闪光小刻面，呈脆性断
裂特征。
裂源两侧周向边缘存在剪切唇特征。
灰色区域断口与轴向呈一定角度，断面较粗糙，为后续扩展断裂区域。
宏观分析螺栓断裂模式为脆性断裂。
（2）微观断口分析 将螺栓断口清洗后置于扫描电子显微镜下观察：①裂纹源区可见明显的放射线形貌，呈冰糖状沿晶断裂形貌，放大后晶面上可见鸡爪痕、微小孔洞形貌，断口可见大量沿晶二次裂纹形貌，呈氢致开
图1 螺栓宏观形貌
第10期 热加工
图2 断口宏观形貌
图3 裂纹源低倍形貌（15×）
图4 裂纹源高倍形貌（50×）
图5 裂纹源放大形貌（270×）
图6 裂纹源沿晶特征（750×）
图7 裂纹源沿晶特征（1200×）图8 扩展后期韧窝+沿晶特征
（1100×）
表1 螺栓断口化学成分（质量分数） （%）
检验项目C P S 检测值
0.20
0.020
0.017
0.25
标准值0.17~0.24≤0.030≤0.0300.17~0.37图9 心部抛光态（100×）
图10 心部显微组织（500×）图11 断口抛光态（100×）
图12 断口显微组织（500×）
图13 牙底抛光态（100×）
行热酸蚀试验，与G B/T1979—2001中的评级图对比，结果如表的应力作用下氢原子在晶界或材料缺陷处聚集成氢分子而产生压力，形成延迟微裂纹。
经分析表明，送检断裂螺栓的氢致脆性开裂原因主要有：
（1）材料螺栓的强度越高，对氢脆的敏感性就越强。
一般认为1000MPa是一个危险水平，即抗拉强度低于1000MPa时钢材耐图14 断裂螺栓低倍酸蚀形貌。
