本文是经典故障案例分析：高强度螺栓断裂原因
据客户介绍，此次样品为M20钢结构大六角头螺栓，等级为10.9S，材质为20MnTiB。该螺栓为舞台桁架连接螺栓。该舞台于2012年建成钢结构脆性断裂，2015年12月1日检修时，管理人员发现剧场舞台螺母脱落。舞台桁架用于悬挂剧场舞台幕布，由于桁架在使用过程中出现部分螺栓脱落，施工单位于2016年3月2日进行检修更换螺栓19个。现场采用高强螺栓轴力扭矩综合试验机对舞台桁架高强螺栓连接进行检测，发现原螺栓扭矩、预紧力基本符合规范要求，部分螺栓预紧力过大，部分螺栓螺帽变形，无法拆除螺栓。此外，客户也未能提供螺栓具体生产工艺、现场安装情况等详细信息。
为了查找断裂原因，消除安全隐患，笔者对断裂螺栓进行了失效分析。
1.理化检测
（1）宏观分析
观察螺栓断口形貌，如图1、图2所示。螺栓大六角头涂有灰色防锈漆，杆部呈黑色。螺栓断口位于距螺杆第2至3个螺纹底部，该处应为螺母拧紧接口处，无明显塑性变形。断口与螺杆之间的螺纹呈棕黄色，有明显的锈蚀痕迹。
图1 螺栓宏观形貌
断面呈波浪形钢结构脆性断裂，最高可达两齿高，且有部分锈蚀，断面呈黑灰色，黑色区域内可见明显的径向条纹，并汇聚于一侧螺牙底部，低倍镜下可见一些细小的闪光面，呈脆性断裂特征。裂纹源两侧环向边缘均有剪切唇特征。灰色区域断口与轴向呈一定角度，断面粗糙，为后续延伸断口区域。
图2 断口宏观形貌
宏观分析表明，螺栓断裂方式为脆性断裂。
（2）微裂纹分析
将螺栓断口清理干净后放在扫描电镜下观察：
①裂纹源区域可见明显的放射状形貌，呈冰糖状沿晶断口形貌。放大后在晶体表面可见鸡爪痕及微小孔洞。断口上可见大量沿晶体的二次裂纹，呈氢致开裂特征。裂纹源附近的螺纹表面可见锈孔，如图3至图8所示。
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倍）
图6 裂纹源顺晶特征（750×）
图7 裂纹源顺晶特征（1200×）
图 8 韧窝及晶间特征的后期扩展（1100×）
②早期扩展区（从裂纹源到螺栓心部）呈现沿晶+韧窝断口形貌，而晚期扩展区（从螺栓心部到瞬时断裂区）呈现韧窝+沿晶特征。螺栓断裂机制为沿晶脆性断裂，呈现氢致开裂特征。
（3）化学成分检验
从螺栓断口下方取样进行化学成分分析，结果如表1所示。
表1 螺栓断口化学成分（质量分数）（%）
从化学成分分析结果可以看出，断裂螺栓的化学成分符合GB/T3077-2015中20MnTiB的要求。
（4）金相检验
从裂纹源及螺栓芯部取纵向截面试样，按照GB/T13298-2015制备试样，然后在光学显微镜下观察，结果如下：按照GB/T10561-2005/ISO 4967:1998（E）中实际检验方法A及ISO评级表，螺栓芯部内非金属夹杂物级别评级为A0、B0、C0.5、D0.5，材料纯净度良好（见图9）。螺栓芯部组织为回火屈氏体+铁素体，为正常组织（见图10）。
图 9：抛光核心（100 倍）
图10 铁芯微观结构（500倍）
图11、12为裂纹源处的抛光状态及组织形貌，从图中可以看出裂纹源处未见明显的非金属夹杂物堆积，腐蚀后未见明显的热处理缺陷。断面呈沿晶断口形式延伸，断口上未见脱碳及氧化特征。图13为断裂螺纹的相邻齿底，未见裂纹或明显缺陷。
图 11：抛光断裂面（100 倍）
图12 断口显微组织（500×）
图13：抛光后的牙底（100×）
（5）硬度试验
从断裂螺栓底部取横向截面试样进行洛氏硬度试验，试验结果为37.6HRC，符合GB/T3098.1-2010规定的32~39HRC的要求。
（6）低倍检查
在断裂螺栓断口下方及未使用螺栓类似位置处切取横向低倍试件，按照标准GB/T 226-2015进行，抛光后采用1:1工业盐酸水溶液进行热酸蚀试验，结果与GB/T1979-2001中的评级图表进行对比，形貌如图14所示。
表2 宏观缺陷种类及级别（级）
图14 断裂螺栓的低倍酸蚀形貌
2.分析与讨论
螺栓断口呈沿晶断裂特征，晶体表面可见鸡爪痕及微小孔洞，呈现氢脆开裂特征。
氢脆开裂在高强度材料中更易发生。由于氢原子扩散到金属中，经过一段时间后在一定的应力作用下，在晶界或材料缺陷处聚集成氢分子，产生压力，形成延迟性微裂纹。分析显示，经检验的断裂螺栓产生氢脆开裂的主要原因有：
（1）材料
螺栓的强度越高，对氢脆越敏感，一般认为1000MPa是一个危险水平，即当抗拉强度低于1000MPa时，钢材的抗延迟开裂性能相对较好，而当材料抗拉强度大于1000MPa时，延迟断裂敏感性较高。
（2）环境
从宏观检查看，断裂螺栓断口附近有明显的锈蚀痕迹，因此螺栓使用在比较潮湿的环境中，这种条件下氢离子容易附着在构件表面，并渗透到内部，造成延迟断裂。
（3）压力
金属材料在受到外力作用时，材料内部应力分布不均匀，在材料形状急剧转变的区域或材料内部的缺陷、微裂纹等处会出现应力集中。在应力梯度作用下，氢原子在晶格中扩散或跟随位错向应力集中区域移动，由于氢与金属原子间相互作用，金属原子间结合力减弱，裂纹便会在高氢区域萌生并扩展，导致脆性断裂。另外，部分螺栓预紧力过大，增加了试样的氢脆敏感性，符合延迟断裂的特征。
在后续使用过程中，需要定期对螺栓进行保养，若仍发现螺栓断裂情况，建议更换该批次螺栓，并严格按照标准要求进行安装施工。
3. 结论
试验的钢结构M20大六角螺栓断裂原因：螺栓断裂机理为氢脆延迟断裂。
参考文献：略。
购买热处理设备或刊登广告请联系：孙超
手机：13918635063
