20MnTiB螺栓失效分析.doc

20MnTiB螺栓失效分析 1 概述 , 高强度螺栓连接已发展成为钢结构工程安装的主要手段。20MnTiB钢高强度螺栓用于航天发射塔架斜支梁、悬臂梁及主梁联结板的连接。在进行服役过程中，发现有少量连接螺栓断裂的现象。本文通过断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析。查找螺栓失效原因，制定改进措施，以防止同类失效再度发生。 2 螺栓的材料及技术条件 螺栓型号为M22(GB1228-1984)，螺栓材料为20MnTiB钢，这是国标推荐的高强度螺栓用钢,在相同硬度下，与中碳合金钢比较，具有更加良好的韧性和可锻性，较好的强韧性，还可避免脱碳现象。其化学成分如表1 表1 螺栓化学成分（WB） C Mn Si P S Cu Cr TI B 样品 0.22 1.38 0.99 0.006 0.023 0.15 0.07 0.07 0.0018 该批螺栓所用钢材化学成分符合标准要求，P、S、Cu等残余元素也控制在合理范围之内。加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。制造工艺流程如下： 20MnTiB圆钢(盘条)酸洗拉拔冷镦成型搓丝热处理发黑包装入库 其热处理工艺为880℃油淬，380～400℃中温回火，组织为回火屈氏体。每批成品均抽样作静拉伸实验，力学性能达到GB1231-1984标准中10.9S的螺栓性能等级要求，σb为1040～1240MPa，σs≥940MPa，δ5≥10%，ψ≥42%，Ak≥58.8N·m，维氏硬度为312～367HV30，洛氏硬度为33～39HRC。 3断裂螺栓失效分析 3.1断口宏观形貌分析 宏观下，断裂螺栓断口具有脆性特征，如图1。断口面位于螺栓的第五个螺纹处。断口可分为三个区域：裂纹源区、裂纹扩展区和最终瞬断区。未观察到疲劳断裂特征。裂纹源区位于螺纹根部,其放大形貌，如图2。在裂纹源区可观察到一扁长形状的原始裂纹，长约55mm，深约0.8mm，在其旁有一半月形的锈蚀区。在裂纹扩展区可见从裂纹源区始发的放射花样状撕裂棱线，断口面与螺栓轴线方向约成15°的倾斜最终瞬断区是由于裂纹扩展使螺栓有效截面不断减小而最终发生的瞬间断裂区，断口形貌呈闪烁颗粒状，并存在大的撕裂棱线。断面平直，垂直于轴线方向。 图1 断裂螺栓断口宏观形貌 图2 裂纹源区宏观形貌 3.2 断口微观形貌 用Philip-XL30扫描电子显微镜对螺栓断口进行微观形貌观察。结果表明，裂纹源区的扁长形原始裂纹的断面平整，如见图3。其是在螺纹滚压加工或在随后的热处理过程中产生的加工裂纹。 裂纹扩展区微观形貌具有典型的冰糖状沿晶断裂特征，如见图4，可见晶界上的二次裂纹和残存腐蚀物。高倍形貌放大像显示断面残存腐蚀物为球粒状,晶界面上有腐蚀坑，如图5。最终瞬断区断口微观形貌为穿晶断裂特征，如图6。 图3 初始裂纹SEM像 图4 裂纹扩展区沿晶断裂微观形貌 图5 断面腐蚀物 图6 瞬断区穿晶断裂微观形貌 3.3 X射线微区元素定性分析 用电子探针X射线显微分析(EPMA)波长色散谱仪，对螺栓断口的残存腐蚀产物和断面无腐蚀物区域进行了微区元素定性分析。结果表明，残存腐蚀产物的组成元素主要是铁和氧，以及微量的锰和钛,因此残存腐蚀产物是一种铁的氧化物;而后者组成以铁为主，其余微量元素有锰、钛、磷和砷。对断裂螺栓作电子探针面扫描分析，合金元素锰、钛和磷分布均匀,不存在晶界偏析的迹象。在断裂螺栓上沿纵向截取金相试样。光学显微镜下观察，其显微组织为回火托氏体，但仍保持低碳板条马氏体趋向，如见图7。符合技术条件要求，低倍组织夹杂物、晶粒度均未发现异常。 图7 断裂螺栓金相组织 断裂螺栓宏观硬度检测结果为33～34HRC，符合标准规定的33～39HRC的要求。用显微硬度仪对螺栓横截面从螺纹表面到螺栓心部测其硬度，结果硬度在345～358HV0.05之间。在距表面51μm处,显微硬度偏低，在285～265HV0.05之间，表明螺栓表面有轻微的脱碳现象。 3. 螺纹根部微观缺陷观察 为确定断裂初始裂纹的形成原因，沿纵向截取试样,用扫描电镜对未开裂部位的螺纹根部进行微观缺陷观察，共观察9个螺纹根部区，在两处螺纹根部区观察到初始缺陷，包括加工时形成的封闭接缝缺陷和滚丝时压入的氧化物缺陷。 3. 未断裂螺栓的检验 为了确定服役中未断裂螺栓的安全性，分析判断现役螺栓是否存在因加工不当产生的初始缺陷，在断裂螺栓附近拆卸下三只未断裂螺栓进行磁粉及超声波无损检测,结果均未探测到裂纹。沿未断裂螺栓纵向截取金相试样,观察结果显示，该显微组织与断裂螺栓相同，为回火托氏体。对未断裂螺栓的5、6处螺纹根部区域进行扫描电镜观察，在一些螺纹根部有初始缺陷，但缺陷尺度均很小，约在10～20μm范围内。可见未断裂螺栓的材质大大优于断裂螺栓。材质中一些尺度很小的微裂纹