某電視塔鋼桅桿高強度螺栓斷裂失效分析

曹桓銘, 唐清山, 周友龍(.四川省建筑科學研究院，四川成都 6008； .西南交通大學材料學院，四川成都 6003)

某電視塔鋼桅桿高強度螺栓斷裂失效分析

曹桓銘1, 唐清山1, 周友龍2
(1.四川省建筑科學研究院，四川成都 610081； 2.西南交通大學材料學院，四川成都 610031)

高聳鋼結構構件節點連接多采用高強螺栓連接，而螺栓的斷裂失效會直接影響到結構的安全性。文章對某電視塔鋼桅桿斷裂高強螺栓進行了失效分析，明確螺栓斷裂的原因，并提出了防止螺栓斷裂的方法，可供同類工程參考。

高強螺栓；斷裂失效；試驗分析

某廣播電視塔頂端為鋼結構桅桿，鋼桅桿節段連接采用節點板高強度螺栓連接，螺栓級別為10.9級，材質為20 MnTiB，規格為M24。在對該鋼桅桿進行例行檢查的過程中，發現有4顆高強螺栓斷裂掉在井道中，為確保鋼桅桿的安全可靠性，找出螺栓斷裂的原因，本文對斷裂的高強度螺栓進行了失效分析。

1 失效分析方法的確定

通過對現場情況的充分了解，并對使用的高強度螺栓進行狀態分析，擬采用以下試驗方法進行失效分析：

(1)斷裂的螺栓腐蝕狀況分析。

(2)采用體視顯微鏡觀察螺栓斷裂面氧化膜清理前后的表面狀況。

(3)采用掃描電鏡(SEM)觀察螺栓裂紋面氧化膜清理后的斷裂面表面。

(4)采用光譜法對螺栓進行化學成分分析。

(5)分析螺栓斷裂的性質種類與產生的原因。

(6)針對高強度螺栓后期使用中斷裂的防止方法進行分析。

2 斷裂螺栓腐蝕及清理狀況分析

對3套斷裂螺栓進行觀察，具體情況如圖1～圖3所示。

圖1 1#試件(銹蝕嚴重的高強度螺栓)

圖2 2#試件(銹蝕較重的高強度螺栓)

圖3 3#試件(銹蝕較輕的高強度螺栓)

可以看出，雖然斷裂的螺栓(母)掉在鋼桅桿內部，但是銹蝕的程度完全不同，因此，這幾顆螺栓不是同時斷裂的，基本上是分為幾年斷裂的，因為不同的鋼桅桿節段內部的環境狀況基本一致。

采用腐蝕劑對銹蝕的3顆螺栓斷裂面進行細致的清洗，清洗后的狀況如圖4～圖7所示。

圖4 1#試件多次長時間的清洗后的狀況

圖5 經過第一次清洗的2#試件清洗后的狀況

圖6 經過第二次清洗的2#試件清洗后的狀況

圖7 3#試件清洗后的狀況

可以看出，3件螺栓斷裂面上都存在起裂源、裂紋擴散區和瞬斷區，擴展區存在較為明顯的放射線形態。瞬斷區基本上與螺栓橫截面呈45°夾角，裂紋擴展區較平整。

3 螺栓斷口SEM觀察

對清洗較為良好的2#和3#螺栓進行SEM微觀觀察，結果見圖8和圖9。

由圖8可以看出，2#試件裂紋擴展區經過兩次常時間的腐蝕依然被氧化膜覆蓋，基本上得不出裂紋斷口的微觀信息，而裂紋起裂源區可以清楚的看到斷口的微觀形貌。起裂源區存在較為清晰的放射性條紋，放大1 000倍的微觀組織晶粒大小不均勻，存在較寬的開口二次裂紋，個別區域存在微孔，晶粒呈現出顯著的脆性斷裂形態，即冰糖葫蘆狀。通過認真和細致的觀察，由于晶粒表面存在較典型的發紋和雞爪紋(或稱烏鴉足)，可以判定2#高強度螺栓的斷裂機理為氫脆，從廣義上講，氫脆也是一種應力腐蝕現象。

a.有氧化膜覆蓋的裂紋擴展區

b.裂紋起裂源區圖8 2#試件斷口SEM觀察

由圖9可以看出，3#試件的裂紋起裂源區可以清楚的看到斷口的微觀形貌。起裂源區存在較為清晰的放射性條紋，放大1 000倍的微觀組織晶粒大小不均勻，存在較寬的開口二次裂紋，晶粒呈現出顯著的脆性斷裂形態，即冰糖葫蘆狀。由于晶粒表面存在較典型的發紋和雞爪紋(或稱烏鴉足)，可以判定，3#高強度螺栓的斷裂機理為氫脆。而裂紋擴展區是典型的脆性斷裂形貌(冰糖葫蘆狀)。裂紋瞬斷區存在韌窩，第二相因為腐蝕清理被清理掉，看不見，但是可以判斷瞬斷區為塑性斷裂性質。

3個斷裂的高強度螺栓的斷裂時間雖然不同，但是斷裂的性質是一樣的，均為氫脆導致螺栓的斷裂。

4 螺栓化學成分分析和微觀組織觀察

采用直讀式光譜儀(FOUNDRY-MASTER Xpert)對高強度螺栓進行化學成分分析，結果如表1所示。

a.裂紋起裂源區

b.裂紋擴展區

c.裂紋瞬斷區圖9 3#試件斷口SEM觀察

表1 高強度螺栓化學成分

注：表中合金含量均省去%符號, 該螺栓化學成分檢測判定標準為GB/T 3077-2012。

從表1可以看出，斷裂的高強度螺栓的化學成分中所有元素均符合國家相關標準要求。

采用蔡司顯微鏡對螺栓材料進行微觀組織觀察，螺栓近表面的微觀組織如圖10所示。

圖10 高強度螺栓截面近表面微觀組織

從圖10可以看出，斷裂的高強度螺栓截面表面存在較薄的脫碳層，以鐵素體組織為主，而內部組織為貝氏體組織和少量針狀鐵素體組織。

高強度螺栓直徑1/4區域的微觀組織如圖11所示。

從圖11可以看出，斷裂的高強度螺栓截面1/4處區域的組織以貝氏體組織為主，并有少量回火索氏體組織。

高強度螺栓中心區域的微觀組織如圖12所示。

圖11 高強度螺栓四分之一處微觀組織

圖12 高強度螺栓截面中心部位的微觀組織

從圖12可以看出，斷裂的高強度螺栓截面中心區域的組織以貝氏體組織為主，但是由于螺栓在熱處理過程中其中心部位冷卻速度低于表面，組織中針狀鐵素體組織含量增加。

5 螺栓斷裂原因具體的分析

通過對高強度螺栓斷口的分析，其斷裂型式基本上都是氫脆，因此，本文對螺栓發生氫脆導致斷裂的具體原因進行一下的分析。

金屬材料的氫脆是指氫從材料表面沿晶界進入金屬內部后, 局部氫濃度達到飽和時, 引起金屬塑性下降、誘發裂紋或產生滯后斷裂的現象。根據氫的來源, 氫脆可分為內部氫脆和環境氫脆, 前者是指金屬材料在冶煉和加工過程 ( 如酸洗、電鍍等)中吸收了過量氫而造成，后者是指金屬在硫化氫、氫氣、水汽等環境中氫進入金屬造成性能損失。

M24的20MNTiB抗扭性高強度螺栓的主要生產工藝是機械(車削)或壓力(滾絲)加工后采用調質和發藍工藝進行生產，發藍的溫度條件雖然不高，但是材料表面吸氫還是有一定的幾率；在螺栓工作的十余年里，雖然鋼結構外部和內部進行了噴鋅的長效防腐處理工藝，而且從鋼塔桅外部看基本上看不見螺栓頭腐蝕的現象，但是大部分螺栓的桿部基本上產生了銹蝕，銹蝕的現象從螺栓螺紋段端部的銹跡皆可以明顯看出(圖1)。因此可以得出：由于鋼桅桿的密封效果不好，常年潮濕環境在冬季容易造成金屬表面結露，而夏天更是存在高溫潮濕天氣，水汽在螺栓表面進行長時間的聚集，氫元素自然可以從螺栓表面進入材料的內部，由于螺栓的微觀組織不太均勻，氫原子在局部較高能量場(例如空位、晶界、第二相界面、位錯或孔洞等位置)進行聚集，并成分氫氣分子，造成該處產生巨大的內壓力，當氫壓達到材料的屈服強度時，材料產生局部的塑性變形，進而當氫壓達到原子結合力時將誘發微裂紋引起晶界起裂，并快速擴展，從而造成螺栓斷裂。

6 防止螺栓使用過程中斷裂的常規措施

(1)由于高強度螺栓氫脆與其化學成分、微觀組織、熱處理工藝和表面處理工藝密切相關，為此，在其使用過程中，建議采取相應措施避免氫脆的產生。

(2)螺栓安裝過程中，可以采用多種施工技術增加結構的密封性，從根源上避免水汽與螺栓系接觸，特別是在成都高熱潮濕的環境下。

(3)增加螺栓系統的安全檢查，發現螺栓存在銹蝕現象時建議及時更換。

(4)螺栓安裝之前可以采用噴鋅等長效防腐技術延長螺栓壽命，并隔絕空氣與螺栓表面。

[1] 張建.高強度鋼氫脆機理研究進展[J].萊鋼科技，2009,6(3):3-7.

[2] 韓順昌.金屬腐蝕金相圖譜[M].北京：國防工業出版社，2006.

曹桓銘(1983～)，男，碩士研究生，工程師，從事結構檢測鑒定及設計工作。

TU391

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[定稿日期]2016-08-03