邱康勇，張 杰，吳繼權
（深圳市特種設備安全檢驗研究院，深圳 ５１８０２９）
摘 要：某公司一戶外鋼結構樓梯螺栓發生斷裂失效，采用宏觀分析、化學成分分析、金相分析、
硬度測試、斷口分析等方法對螺栓斷裂原因進行了分析。結果表明：螺栓斷裂主要是因為螺栓部分
新鮮表面暴露在空氣中，在腐蝕性環境和應力的共同作用下，應力集中的螺栓根部開始萌生裂紋，裂紋由外向內擴展，Z終造成一次性斷裂。
關鍵詞：鋼結構；螺栓；斷裂；腐蝕；應力集中

戶外鋼結構樓梯具有強度高、自重輕、施工速度快、抗震性能好、便于安裝和拆卸等特點；同時戶外鋼結構樓梯在制作安裝時，表面進行了噴塑、浸鋅或烤漆等技術處理［１］，因而還具有造型美觀、價格適宜、經濟實用、防臺風、隔熱、隔音、保溫、防潮等特點。

某公司在對戶外鋼結構樓梯進行檢查時發現，一固定螺栓發生斷裂失效。斷裂螺栓標稱材料為2０ＭｎＴｉＢ鋼,規格為Ｍ２０ｍｍ×７０ｍｍ,性能等級為10.9S，為高強度螺栓。

該螺栓作為緊固件應用于戶外鋼結構樓梯，如圖１所示，于２０１６年１２月發生斷裂，累計使用時間約為２ａ（年）。高強度螺栓其抗拉強度大，表面硬度高，力學性能好；熱處理一般采用調質處理，即淬火＋高溫回火；表面處理常采用表面磷化或者表面氧化。該斷裂螺栓熱處理工藝為調質處理，表面處理工藝為發黑處理。為查明該螺栓斷裂失效原因，筆者對其進行了檢驗和分析。
１ 理化檢驗
１．１ 宏觀分析
  失效螺栓的整體宏觀形貌見圖２，可見螺栓表面涂有黃色油漆，但油漆面不完整，螺栓斷裂位置為螺栓根部，該處為應力集中位置。螺栓斷口的整體宏觀形貌見圖３，斷口上可見明顯的銹跡，斷口較為平整，沒有明顯的塑性變形，斷口上存在明顯的擴展條紋，擴展條紋的收斂處為起裂源,擴展條紋Z終發散方向附近存在斷裂臺階，該處為Z后斷裂區［２］。圖４為起裂源區局部放大形貌，可見起裂源位于螺栓邊緣，裂紋呈扇形由外向內擴展。
１．２ 化學成分分析
  在斷裂螺栓上截取光譜試樣，經清洗、干燥、打磨后采用臺式直讀光譜儀進行 化學成分分析，
結 果 見 表１。

可見斷裂螺栓的各元素含量 均 符 合ＧＢ／Ｔ３０７７－２０１５《合金結構鋼》對２０ＭｎＴｉＢ 鋼成分的技術要求。
１．３ 金相分析
１．３．１ 橫截面金相分析
在螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經鑲嵌、打磨、拋光、４％（體積分數）硝酸酒精溶液化學侵蝕后在光學顯微鏡下觀察。試樣顯微組織形貌見圖５，為均勻的回火索氏體［３］，未見明顯異常。１．３．２ 縱截面金相分析在螺栓頭部斷口起裂源區域截取縱截面試樣，經鑲嵌、打磨、拋光、４％硝酸酒精溶液化學侵蝕后進行顯微組織觀察。由圖６可見，靠近斷口附近，有晶粒脫落現象存在［４］。
１．４ 硬度測試
在螺栓斷口附近截取橫截面試樣，經鑲嵌、打磨、拋光后進行維氏硬度試驗，試驗貫穿試樣整個橫截面，結 果 見 表 ２。

可見螺栓硬度測試結果符合ＧＢ／Ｔ３０９８．１－２０１０對１０．９Ｓ級螺栓的技術要求，且整個橫截面硬度分布比較均勻，未出現明顯較大波動。

標準值

１．５ 斷口掃描電鏡分析
１．５．１ 起裂源區及其附近表面覆蓋物形貌及成分分析將螺栓斷口切取下來，經無水酒精清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡（ＳＥＭ）內進行觀察。螺栓起裂源區及其附近表面可見明顯的覆蓋物，覆蓋物形貌及能譜（ＥＤＳ）分析結果見圖７。由能譜分析結果可推斷出，該覆蓋物以鐵的氧化物為主，同時還有少量的鈉、氯、硫等元素。

１．５．２ 斷口微觀形貌分析將斷口進行進一步清洗干凈、干燥后，置于掃描電鏡內進行觀察。圖８ 為螺栓斷口起裂源區形貌，
可以看到冰糖狀沿晶斷裂形貌，且晶界處存在二次裂紋。圖９為裂紋擴展區形貌，同樣可見冰糖狀形貌及晶界處的二次裂紋，同時可見有韌窩存在。圖１０為Z后斷裂區形貌，可見大量的撕裂棱及細小韌窩，為一次性斷裂［５］。

２ 綜合分析由以上理化檢驗結果可知：斷裂螺栓化學成分符合 ＧＢ／Ｔ３０７７－２０１５ 對 ２０ＭｎＴｉＢ 鋼的技術要求；顯微組織為均勻的回火索氏體，且整個截面顯微組織均勻；橫截面維氏硬度試驗結果亦均勻，未出現明顯較大波動，與均勻的顯微組織相吻合。

螺栓在使用過程中除了承受預緊力之外，根據螺栓的安裝位置可知其還承受一定的剪切應力；從斷裂螺栓的宏觀形貌可以看出斷裂發生在螺栓根部處，該處為應力集中區域，在螺栓斷口縱截面金相中可以看到晶粒脫落現象，印證了螺栓斷裂前承受較大的應力。螺栓表面油漆有脫落現象存在，而螺栓使用環境處于海邊，空氣中含有較多的水分和鹽分，從而可以判斷螺栓會受到腐蝕。由能譜分析結果可知，斷口表面的覆蓋物以氧化物為主，同時存在鈉、氯、硫等元素，從而印證了腐蝕現象的存在。斷口微觀形貌分析結果表明，起裂源區主要呈冰糖狀形貌，擴展區同樣可見少量冰糖狀形貌及部分細小韌窩，Z后斷裂區可見大量的撕裂棱及細小韌窩，為一次性斷裂特征。綜合以上分析認為，螺栓部分新鮮表面暴露在空氣中，在腐蝕性環境和應力的共同作用下，螺栓根部萌生裂紋，裂紋由外向內擴展，Z終造成一次性斷裂。
３ 結論及建議
螺栓斷裂的主要原因為部分新鮮表面暴露在空氣中，在腐蝕性環境和應力的共同作用下，于應力集中的螺栓根部處起裂，裂紋由外向內擴展，Z終造成一次性斷裂。

建議對其他螺栓表面油漆完整性進行檢查，防止螺栓直接暴露在空氣中；另螺栓在裝載過程中，應注意預緊力不要過大。
參考文獻：
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裂分析［Ｊ］．理化檢驗（物理分冊），２０１３，４９（９）：６２８－６３１．
［５］ 王弘，高慶，戴振羽．２０ＭｎＴｉＢ 鋼螺栓斷裂失效分析
［Ｊ］．理化檢驗（物理分冊），２００３，３９（８）：４２６－４２９