案例分享：2340套螺栓十余根断裂，怎么啦？

作者：贾璐菲、曾祥建、毛泽宁

单位：上海宝冶工程技术有限公司

来源：《金属加工（热加工）》杂志

来样为拼装钢梁使用螺栓。该批螺栓连接副共2340套，在安装加载过程中，现场约出现十余根断裂，断裂时扭矩在758.42~828.26N﹒m之间。该断裂螺栓等级为10.9级，规格为M24×120，材质为20MnTiB。

1. 理化检验

（1）宏观检验

来样共7件断口，经比对后，仅一组断口匹配，与委托方商议，对此组断口进行分析。螺栓宏观形貌如图1所示。螺栓表面为黑色，断裂部位位于距头部14~16个螺纹根部，断口未见明显缩颈现象。

图1 螺栓宏观形貌

图2为该螺栓断口宏观形貌，断口平整，呈放射花样，将断口分为裂纹源区、扩展区、最后断裂区。从图中可见，裂纹源区位于螺纹根部表面，且存在月牙形损伤痕迹，月牙形表面颜色较浅，应为断后损伤痕迹。裂源及扩展区呈放射型分布，约占整个断口95%以上，周边存在极少量剪切唇，故该断口为一次性应力脆断断口。

图2  断口宏观形貌

（2）化学成分分析

从断裂螺栓上取样进行化学成分分析，结果如表1所示。从表中化学成分的实测值得出，断裂螺栓的化学成分符合GB/T6478—2001中对20MnTiB钢的规定值。

表1 化学成分（质量分数）  （%）

（3）力学性能测试

在同批未断裂螺栓上取拉伸试样进行拉伸试验，结果如表2所示。从表中力学性能的实测值得出，未断裂螺栓力学性能符合GB/T3098.1—2010要求；但其材料的屈强比非常高，R_eL/R_m=0.948，说明材料有较大的脆性。

表2  拉伸试验结果

（4）金相检验

取断裂螺栓的剖面试样，在光学显微镜下观察。螺栓裂纹源处和螺纹处表面可见均匀分布的深灰色区域，放大后观察该处显微组织比内部组织细，深灰色层的深度约为100μm，如图3、图4所示。

图3 裂纹源处深灰色区域形貌（200×） 

图4 螺纹侧面边缘灰色区域组织形貌（500×）

断裂螺栓的基体显微组织为回火索氏体+少量块状铁素体，属于正常组织，如图5所示。灰色区域为板条马氏体及针状马氏体的混合组织，如图6所示。

图5 螺栓心部显微组织形貌（500×）

图6 螺栓表面显微组织（500×）

（5）显微硬度检测

对断裂螺栓的表面（深灰色层）和心部进行显微硬度检测，结果如表3所示。从显微硬度的实测值得出，断裂螺栓心部的显微硬度符合规定的标准值。螺纹表面深灰色层显微硬度高于心部的显微硬度，并且超过了GB/T3098.1—2010中规定的标准值。

表3  显微硬度试验结果    （HV0.3）

（6）微观断口观察

将断口经清洗及技术处理后置于飞利普场发射扫描电子显微镜下观察。断口SEM形貌：螺栓断裂于螺栓的边缘，断口上存在放射花样，裂纹源侧高倍形貌呈沿晶特征，如图7所示；螺栓断口中间部位的高倍形貌显示沿晶特征，有二次裂纹存在，如图8所示。螺栓的断裂性质为脆性断裂。

图7  螺栓裂源侧高倍形貌

图8  螺栓断口中间高倍形貌

2. 分析与讨论

断口宏观检验表明，断裂螺栓断口及其周围未见缩颈现象，螺栓断裂于螺纹根部，裂纹扩展区存在放射放状花纹（断口部分的95%以上）且较平整，最后断裂区较小且存在剪切特征。

螺纹表面存在均匀分布的较细组织，并且显微硬度也较心部高，说明螺栓的螺纹表面有增碳现象。螺栓基体显微组织为回火索氏体+少量块状铁素体，属于正常组织。在含有碳化物形成元素的合金渗碳钢内，碳化物析出的特点与碳素钢不同，合金钢的渗碳层中碳化物通常不形成连续网状，而主要呈球状或针状析出。合金钢的碳化物如以大块状析出，则会使渗层脆性增加。

微观断口观察表明，螺栓的断裂性质为脆性断裂，裂纹源位于螺栓的边缘，断口形貌为沿晶特征，最后断裂区存在剪切特征。发生沿晶断裂原因主要有：①沿晶界有大量第二相析出。②某些杂质元素或某些合金元素沿晶界偏聚。③环境介质作用。④高温并加应力。螺纹的沿晶断裂可能与螺纹表面增碳有关。

材料力学性能中的屈强比是一个很重要的力学表征，它表征了材料的脆韧度：

设R_eL/R_m=1，即表征材料无韧性，完全属脆性状态。

设R_eL/R_m=0.8，即表征材料有较高的强度，且也具有一定的韧性，属强韧俱佳状态。

设R_eL/R_m=0.5，即表征材料强度较低无脆性，属韧性状态，但实际使用价值低。

从螺栓材料的实测值得出：屈强比非常高，R_eL/R_m=0.948，由此说明材料有较大的脆性。

3. 结语

综上所述，螺栓断裂的原因为：螺栓材料的屈强比过高，R_eL/R_m=0.948，造成了材料的脆性增大，加之螺栓表面有增碳现象，表面层的断裂性质为沿晶开裂断口，而且表面层的显微硬度也不符合GB/T3098.1—2010中对10.9级螺栓的规定；故造成螺栓在安装加载时的一次性脆性断裂。