某高架橋高強度螺栓斷裂失效分析

孟海燕，袁凱琴，劉 剛

（1. 南昌航空大學 科技學院，江西 共青城 332020； 2. 南昌航空大學 材料科學與工程學院，江西 南昌 330063）

隨著我國經濟的快速發展，汽車、建筑、橋梁、航天等重點項目不斷增加，高強度螺栓的需求每年以40%的速度快速增長。高強度螺栓緊固件是在s 型箱焊接后發展起來的一種鋼框架連接，具有施工方便、可拆卸、抗大載荷、抗疲勞、安全等優點。因此，高強度螺栓緊固件已經發展成為機械件安裝的主要手段［1-4］。但在一些關鍵部件中，其質量優劣直接影響到部件及整機的質量。螺栓連接部位承受較大的機械載荷和不均勻應力，容易發生斷裂失效。螺栓斷裂（失效）主要包括松動失效、疲勞斷裂、蠕變斷裂、腐蝕斷裂、韌性斷裂和氫脆等形式，因此，研究分析螺栓斷裂失效原因及機理具有重要意義［5-8］。

國外學者在20 世紀中期已在研究含有螺栓的緊固件，制定了螺栓技術、裝配和設計等相關標準及規范，并分析研究強度較高螺栓的失效原因。王曉青等［9-12］對227 起螺栓失效事件的多個方面進行統計分析總結，得出因加工處理過程不完善，選擇元件材料不當，安裝質量不達標以及螺栓設計結構等不合理這四個主因造成螺栓失效。其中在安裝質量上造成螺栓失效超一半是由于施加在螺栓上的力過大且不合理以及緊固力不均勻所導致［13-14］。某高架橋在對關鍵鏈接部位的鋼框架進行預防性解體維護時，發現有少量螺栓表面有銹跡存在，并有兩根連接螺栓發生斷裂，該批螺栓設計服役時間約為30年，但服役實際時間不到10年。該批螺栓室溫下承載壓力為500 MPa，斷裂螺栓材料為42CrMoA 鋼，其屈服強度和疲勞強度較高。為確?？蚣芙Y構的安全穩固，有必要對螺栓斷裂失效的原因進行分析，預防事故頻發。

1 實驗方法

實驗樣品選擇某高架橋上拆卸的斷裂失效件和完好件各一根，雙頭螺栓的材料為42CrMoA，規格為M36，性能等級為10.9級。

螺栓斷口表面在拆卸和儲存過程中可能被污染，在形貌分析前，先用汽油將斷截面的油污清洗干凈，再浸入丙酮中，放入超聲波振蕩器中進行超聲波清洗干凈，然后取出烘干后待用。采用日立3400N型掃描電子顯微鏡和LWD300LCS 型數字反相金相顯微鏡對螺栓斷面進行形貌觀測，采用M5000 火花直讀光譜儀和英國牛津公司的INCA 能譜儀（EDS）對螺栓組成和腐蝕產物進行分析，螺栓硬度檢測采用OU2200 洛氏硬度機，拉伸試驗機沖擊性能測試采用HTS1 液壓螺栓拉伸器和TY10MCJ-12 沖擊試驗機。

2 結果與分析

2.1 樣品的外觀檢測

2.1.1 樣品的宏觀形貌

測試螺栓有斷裂失效件和完好件各一件，整體外觀如圖1和圖2所示。

圖1 斷裂失效件螺栓的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of bolts with fracture failure

圖2 完好件螺栓的宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of intact bolt

斷裂失效件為拆卸過程中斷裂的故障件，簡稱“斷裂件”［15］。該螺栓斷裂發生在螺紋部的中間部位，斷面幾乎與螺旋線平行，螺桿表面存在服役期間形成的灰黑色接觸損傷痕跡，觀察發現斷裂螺栓的斷裂處附近無明顯變形，但發現斷裂處及附近區域存在少量黑褐色銹跡，且粘附在螺栓表面，確定為螺栓斷裂后殘留的腐蝕產物（見圖1）。另一完好件為相同批次、相同規格、同時安裝在附近使用的鋼框架連接螺栓（見圖2）。圖3 為斷裂失效螺栓的斷面宏觀形貌圖。

圖3 斷面宏觀形貌Fig.3 Macro morphology of section

裂紋宏觀分析是對失效螺栓外形精度、腐蝕狀態、斷面處裂紋及磨損等方面進行檢查分析，通過斷面宏觀形貌分析裂紋走向、長度、形貌特征以及雜質存在等情況，初步得出裂紋類型和斷裂性質，確定破裂源的位置和裂紋傳播路徑，為斷面微觀分析和其他分析提供證據［16-17］。由圖3可看出，螺栓斷面斷口較齊平，整體呈暗灰色，有近半區域存在明顯的棕褐色腐蝕產物，存在腐蝕產物的區域斷面顏色偏暗。斷面一側存在兩處小月牙狀區域，斷口擴展線指向月牙區一側，斷口周邊無明顯損傷和加工缺陷，由擴展線可推斷裂紋源區為月牙狀區域的對立一側。因此，將斷裂失效螺栓的斷面按裂紋擴展方向大體可分為A、B、C、D 區四個裂紋擴展區及E 區瞬斷區。斷面起裂區位于螺紋牙底部位邊緣，裂紋起源于螺栓近表面處，最邊緣的斷面上基本被腐蝕產物所覆蓋，見圖3 的A、B 的兩個區。斷面近邊緣部位存在多處起裂源，裂紋在起裂源的周圍呈弧形狀向外延伸擴展，呈放射狀貝紋狀花樣［18］。

2.1.2 樣品的微觀形貌

2.1.2.1 斷面起裂區

對斷口進行去腐蝕產物清洗，在掃描電鏡下觀察斷裂件螺栓斷口，斷裂件的斷面起裂見圖4。

圖4 斷面的起裂區形貌圖Fig.4 Morphology of crack initiation zone of cross section

由圖4 可知，起裂區未見明顯塑性變形、折疊、裂紋及夾雜等缺陷，起裂區附近螺紋牙底存在流線的變形。

2.1.2.2 裂紋源區

斷面裂紋源區清潔后的微觀形貌如圖5所示。

圖5 斷口的裂紋源區形貌圖Fig.5 Morphology of crack source area of fracture

由圖5 可知，在裂紋源區未發現明顯折疊、裂紋及夾雜等缺陷，但出現一些微小的孔洞，為縫隙腐蝕留下的蝕孔。一般裂紋起源于零件的應力集中處或缺陷處，材料缺陷引起的裂紋一般起源于材料的拉痕、偏析、折疊等缺陷處，而應力集中引起的裂紋起源于機械等造成的較深刀痕、刮傷、臺階及圓角等處。裂紋源區是放射性條紋的匯聚點，對其分析有利于確定裂紋是否由缺陷引起。在裂紋逐步向外延伸拓展的過程中，斷面起裂區是裂紋形成的起始區域，常位于螺栓表面缺陷部位。

2.1.2.3 裂紋源擴展區

圖6、圖7、圖8和圖9分別為裂紋擴展區A區、B區、C區和D區的微觀形貌。

圖7 裂紋拓展區B區的形貌圖Fig.7 Morphology of crack growth zone B

圖8 裂紋拓展區C區的形貌圖Fig.8 Morphology of crack growth zone C

圖9 裂紋拓展區D區的形貌圖Fig.9 Morphology of crack growth zone D

從圖6至圖9中可知，四個區域內均出現許多呈規律性細小平行間隔的與沿裂紋延伸方向相互垂直的特征條紋，即疲勞條帶，是螺栓斷面的一種微觀形貌特征，呈稍微彎曲并相互平行的河流花樣和臺階等形貌，且解理臺階隨疲勞擴展區裂紋的不斷延伸而增加。由于在瞬斷之前的斷口看不出塑性變形等缺陷，且裂紋細微，但快速擴展區為放射花樣，見圖3的A、B、C、D區。

2.1.2.4 瞬斷區

裂紋隨著應力循環而延展，當裂紋擴大到一定程度，其尖端應力強度達到韌性斷裂時，螺栓內部裂紋尖端發生瞬時破壞。瞬斷區的斷面形貌如圖10所示。

圖10 瞬斷區E區的形貌圖Fig.10 Morphology of zone E of instantaneous fault zone

由圖10可知，在42CrMoA螺栓瞬斷區E區出現許多細小的窩坑，呈蜂窩狀韌窩，韌窩是由材料內部的許多空洞核成長后復合而形成的，韌窩尺寸大小在一定程度上能反映出材料塑性的好壞，出現韌窩說明螺栓材質本身有缺陷［19-20］。從瞬斷區的宏觀形貌上可以看出，瞬斷區出現了塑性剪切唇，見圖3的E區。

2.1.2.5 螺栓芯部形貌

螺栓金相組織如圖11 所示。結果表明，螺栓芯部組織為均勻的回火索氏體，材料組織內部未見明顯塑性變形、折疊、裂紋、夾雜等缺陷。

圖11 芯部金相組織形貌Fig.11 Metallographic structure of core

2.2 樣品的成分檢測

2.2.1 成分分析

采用M5000 火花直讀光譜儀對螺栓進行成分分析，結果如表1。采用TN-330 型氮氫氧分析儀對螺栓中的氫含量進行分析測量［21］，其氫含量約為2.1μg/g。

表1 螺栓的化學組成（wt. %）Tab.1 Chemical composition of bolts（wt. %）

由表1 可知，螺栓材質基本均符合GB/T3077—2015《合金結構鋼》中對42CrMoA 鋼的元素含量要求。但其中Si 和S 略高于標準成分的要求，含量分別為0.42%、0.028%，而Mn 和Mo 的含量分別為0.48%、0.14%，均略低于標準成分的要求。

采用英國牛津公司的INCA 能譜儀（EDS），對裂紋源區銹蝕部位進行能譜分析，EDS 分析結果見表2，其能譜圖如圖12所示。

表2 螺栓斷面上的腐蝕產物EDS分析結果Tab.2 EDS analysis results of corrosion products on bolt section（wt. %）

圖12 螺栓斷面上腐蝕產物的能譜圖Fig.12 Energy spectrum of corrosion products on bolt section

通過EDS 能譜對腐蝕產物進一步檢測后發現有少量的Cr、Mn、Si 等元素，而元素Fe（65.82%）和O（31.55%）含量最高，見表2 和圖12。根據元素質量百分比和原子百分比由此可推斷，腐蝕產物主要由氧化產物Fe2O3和Fe（OH）3組成。螺栓在斷裂前其表面已發生了縫隙腐蝕，斷面與螺紋上均存在暗褐色腐蝕產物，見圖1 和圖2，且在裂紋源區出現了腐蝕孔洞，見圖5（b）。說明裂紋源區的腐蝕產物和斷口表面的附著產物成分基本一致，形成機理相同［22］。

2.2.2 非金屬夾雜物檢測

用金相顯微鏡對斷裂失效螺栓和完好螺栓的材料組織進行觀察，確定其是否存在冶金、生產工藝及過程和冷熱加工過程中出現缺陷。結果如圖13所示。

圖13 非金屬夾雜物檢測圖Fig.13 Non-metallic inclusion image

根據GB/T10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》，測試結果如表3所示。

表3 螺栓的非金屬夾雜物級別Tab.3 Non-metallic inclusion grade of bolts

由表3 可知，斷裂失效件與完好件中的硫化物、球狀氧化物均不超過2.5級，含脆性夾雜物與塑性夾雜物等級之和均不超過4.5級，說明兩者含非金屬夾雜物均達標（達標：單項標準值≤2.5 級，A 類＋D 類≤4.5級）。

2.2.3 表面脫（增）碳檢測

根據金相法對斷裂件和完好件的螺紋處取樣進行檢驗，結果如圖14所示。

由圖14 可看出，螺紋均未見明顯增碳、脫碳現象，螺紋牙頂存在輕微折疊，但均未超過牙高的四分之一，其余位置均未見折疊、裂紋等缺陷。

2.3 樣品的性能檢測

2.3.1 拉伸試驗及沖擊性能測試

采用HTS1 液壓螺栓拉伸器和TY10MCJ-12 沖擊試驗機測試斷裂件和完好件在室溫下的拉伸性能與沖擊性能，測試參照GB/T 3098.1—2010，結果如表4所示。

表4 拉伸試驗及沖擊性能測試結果Tab.4 Test results of tensile test and impact property

由表4 可知，斷裂件和完好件在屈服強度及斷后伸長率上符合“GB/T3098.1—2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱”標準中對10.9 級螺栓的性能要求，僅斷面收縮率略低于標準要求。

2.3.2 硬度檢測

參照GB/T230.1—2018《金屬材料 洛氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》，采用OU2200 洛氏硬度機測量螺栓材料的硬度，每個點測試3 次，結果見表5。

表5 螺栓硬度的測試結果Tab.5 Test results of bolt hardness

測試結果表明，斷裂件在硬度上略高于完好件，但均在硬度的測試誤差范圍內。測試件在芯部硬度和端部表面硬度均滿足“GB/T3098.1—2010 緊固件機械性能 螺栓、螺釘和螺柱”中對10.9 級螺栓的標準要求。

2.4 分析與討論

失效螺栓斷裂位于螺紋段，斷面附近未見明顯塑性變形痕跡，起裂區位于斷面邊緣螺紋牙底部位，斷口有腐蝕產物所帶來的顏色變化，裂紋源區表面附近的顏色較深，斷口留下明顯的海灘花樣。裂紋源區出現一些微小的蝕孔，深裂紋的裂尖區域顏色較淺，肉眼難辨，因此從顏色上難以精準地判斷裂紋深度。

螺栓斷面起裂區金相分析結果表明，起裂區附近螺紋牙底存在多處折疊，螺栓斷裂后在斷面及螺紋附近均殘留有暗紅褐色腐蝕產物，主要組成為Fe2O3和Fe（OH）3，螺桿部位存在軸向磨損痕跡，說明螺栓安裝質量不合格或在服役過程中可能存在松動及腐蝕現象。當螺栓上留有微小縫隙，縫隙內若存留腐蝕介質，電化學腐蝕環境使螺栓表面有間隙的部位發生的縫隙腐蝕，并易成為應力集中源。當螺栓在承受應力作用下，螺栓受力將由單一的軸向載荷將變為彎曲、扭轉、剪切等復雜載荷，導致螺栓在應力集中位置（如縫隙腐蝕處、螺紋牙底、折疊、微裂紋等處）萌生疲勞裂紋。當縫隙腐蝕陽極端部產生滑移臺階，在滑移臺階處露出新鮮的金屬表面，在縫隙腐蝕的閉塞電池作用下加速溶解金屬基體，使逆向加載時金屬表面不能復原，即逆向滑移受阻，由此造成裂紋源的產生。當螺栓斷面起裂區存在縫隙腐蝕和多處裂紋源，交變應力致裂紋拓展區出現多條腐蝕疲勞條帶，腐蝕疲勞條帶在裂紋延伸擴展過程中留下很小的痕跡，與裂紋延伸方向相垂直，并對應著每個應力循環的擴展痕跡。當疲勞的反復加載，最終使裂紋不斷向縱深擴展直致失穩斷裂。

樣品的成分檢測和性能測試結果表明，失效螺栓材料的非金屬夾雜物、脫增碳試驗、拉伸試驗及沖擊性能測試和硬度檢測均未發現異常，但樣品的成分檢測則顯示其化學成分中合金元素Mn 和Mo 的含量略偏低，而非合金元素Si 和S 含量略高于標準成分的要求。Mo 作為難熔金屬，化學性質較穩定，可溶入固溶體，形成彌散的強化相，能維持高強度的不平衡組織狀態，能提高螺栓抵抗塑形變性和斷裂的能力。螺栓成分中利用錳元素來強化鐵素體和珠光體，提高螺栓的強度。當螺栓中合金元素Mo 和Mn 含量偏低時，易導致螺栓抵抗塑形變性和斷裂的能力下降。Si 雖可提高螺栓的抗氧化性能，但也會增大螺栓的脆性。硫是螺栓成分中的有害元素，能產生熱脆性，降低螺栓的延展性和韌性，且在鍛造時易形成微裂紋，還會降低螺栓的耐腐蝕性能，所以螺栓成分中硫的含量需嚴格控制［23-24］。

腐蝕疲勞失效一般與產品本身的質量、服役條件、裝配維護情況等密切相關。斷裂失效螺栓在室溫下承載壓力為500 MPa 左右，斷裂螺栓材料的屈服強度和疲勞強度均較高。當螺栓本身有質量問題，即使在設計符合標準、加工處理過程合理、服役年限不長的情況下，若在安裝質量上不達標也容易造成螺栓斷裂失效。因此，通過以上分析可確定螺栓斷裂失效為螺栓材料成分控制不嚴，在安裝后留有間隙或縫隙引起縫隙腐蝕，并在應力作用下導致腐蝕疲勞斷裂失效。

2.5 螺栓失效機理探討

一些事故調查顯示在安裝質量上造成螺栓失效超一半是由于施加在螺栓上的力過大且不合理以及緊固力不均勻所致。當高架橋上鋼結構螺栓安裝質量不達標時，會造成螺栓的螺紋上出現微小的縫隙或間隙，一旦空氣濕度增大、氣溫回升或在我國南方地區回南天的情況下，就容易在螺紋縫隙內出現凝水現象。在檢測高架橋上所有螺栓時，發現有極少數螺栓存在松動現象，且在松動螺栓的外表面也有少量褐紅色銹跡存在，說明螺栓安裝質量不達標松動導致間隙或縫隙后容易發生縫隙腐蝕。

螺栓有松動時，與螺紋形成微小縫隙或間隙，當間隙或縫隙大小在0.025～0.1 mm 時，外界的腐蝕介質和氧氣就容易進入其中并滯留，腐蝕介質和氧氣的擴散受到了限制。在螺栓縫隙內、外整個表面都與含氧氣的腐蝕溶液相接觸，故預先在螺栓縫隙附近發生了電化學腐蝕，陽極反應為42CrMoA 螺栓的金屬離子化，即：

陰極反應為氧氣還原，即：

當縫隙內的氧氣被還原后，由于縫隙口小，縫隙內部的氧氣補充困難，只能以擴散方式進入，隨著電化學腐蝕過程不斷進行，縫隙內的氧氣被耗盡，縫隙內的氧氣還原反應被終止，而縫隙外的隨時可以得到補充，所以縫隙外的氧還原反應繼續進行，由此導致縫隙內、外形成了氧濃差宏觀腐蝕電池?？p隙內缺氧氣，其區域電位較低，成為陽極區，縫隙外氧氣容易到達的區域電位較高，成為陰極區，結果導致縫隙內金屬在氧濃差宏觀腐蝕電池的作用下加速溶解，縫隙內金屬溶解后的金屬離子Cr3+、Mo2+、Fe2+等在縫隙內不斷積累，并吸引縫隙外的負離子（如Cl-、SO42-等）遷入縫隙內，以維持電荷平衡。在縫隙內，由于溶解的金屬離子濃度不斷增加，會和富集的負離子生成可溶性金屬鹽，金屬鹽在水中水解生成不溶或微溶的金屬氫氧化物和游離酸。其中Fe（OH）2不穩定，極易被氧化成棕紅色的Fe（OH）3，Fe（OH）3在受熱情況下易分解為紅棕色的Fe2O3。以負離子為氯離子（Cl-）為例，即：

反應生成的游離酸使縫隙內的pH值下降，造成縫隙內溶液酸化，酸性環境下促進了縫隙內金屬的陽極溶解，陽極加速溶解后又吸引更多的負離子從縫隙外向縫隙內遷入，金屬鹽濃度增加，然后又水解使腐蝕介質酸化。如此循環后形成一個閉塞電池自催化過程，導致縫隙內金屬的溶解不斷加?。?5］。Pourbaix［26］在研究鐵在含Cl-的介質溶液中，對裂紋內部的pH值和電位分布通過熱力學計算，得到裂紋內部尖端電位通常要遠低于裂紋外部電位，電位差值竟高達數百毫伏，裂紋尖端成為腐蝕電池的局部陽極區。借鑒劉道新等［24］對點蝕的發展機理的描述，在螺栓安裝后產生縫隙的基礎上，結合螺栓在腐蝕和應力雙重作用下的失效過程，分析失效過程機理示意圖如圖15所示。

圖15 螺栓腐蝕失效過程的示意圖Fig.15 Schematic diagram of bolt corrosion failure process

當高架橋上鋼結構螺栓在安裝質量不達標處出現微小縫隙或間隙時，就容易發生縫隙腐蝕，電化學腐蝕環境使螺栓表面形成的縫隙腐蝕處在承受交變應力作用下產生應力集中進而形成裂紋，縫隙腐蝕陽極端部產生滑移臺階，在滑移臺階處露出新鮮的金屬表面，在縫隙腐蝕及應力作用下加速溶解金屬表面，使逆向加載時金屬表面不能復原，即逆向滑移受阻，由此造成裂紋源的產生，當疲勞的反復加載，使裂紋不斷向縱深擴展直致失穩斷裂。

3 改進措施

（1）螺栓對安裝質量和強度有較高的要求，螺栓安裝質量不達標易造成腐蝕疲勞斷裂。因此螺栓在安裝時，應自行傳入螺栓孔，使用合理的旋具活扳手緊固，不可將螺栓強行緊固，否則容易出現縫隙或間隙。且安裝螺栓前應檢查螺紋孔內是否有毛刺、鐵屑及其他臟物等，如有應事先清理干凈。另外，擰緊螺栓后應對外露螺紋進行檢查，一般情況下應保持外露螺紋在2倍螺距以上，并力求緊固力均勻，避免留有縫隙或間隙。

（2）失效斷裂螺栓在冶煉工藝中，化學元素控制不當導致Mn、Mo 含量略偏低，而Si、S 含量略偏高，從而降低了螺栓的塑形、強度和耐腐蝕性能。建議在螺栓冶煉工程中嚴格按工藝操作，控制好螺栓中各成分的含量。

（3）螺栓使用前要對其質量進行檢查，包括檢查螺栓外觀、合格證明文件是否齊全。建議對新螺栓進行全批次光譜檢測外，增加螺栓化學成分分析的抽檢，抽檢質量合格后才能用于工程施工。

4 結論

（1）螺栓斷裂主要原因為螺栓安裝質量不達標，緊固力不均勻或預緊力不足造成螺栓在螺紋處出現縫隙或間隙。

（2）失效斷裂螺栓的合金元素含量與標準值出現偏差，導致螺栓的塑形、強度和耐腐蝕性能降低。

（3）高架橋鋼結構螺栓的斷裂模式為腐蝕疲勞斷裂失效，腐蝕疲勞裂紋源主要是從縫隙和缺陷處萌生的，螺栓斷裂機理為前期以縫隙腐蝕為主，后期為應力腐蝕疲勞斷裂。