20MnTiB钢螺栓断裂失效分析

摘 要:应用扫描电子显微镜、光学显微镜、显微硬度仪和电子探针X射线显微分析仪,对发射架20MnTiB高强度螺栓断裂件的金相组织、显微硬度、断口微观形貌和合金元素分布状态进行了分析。结果表明,断裂螺栓金相组织正常,力学性能符合技术要求;螺栓断裂失效是由于在螺栓根部存在因加工不当产生的初始裂纹,在初始裂纹尖端的应力集中和露天使用环境中水介质的共同作用下,螺栓发生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂的方式是阳极溶解型。 关键词:20MnTiB;螺栓;断裂;应力腐蚀;失效分析

1 概述

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。在进行服役过程中的例行检验时,发现有少量连接螺栓断裂的现象。虽然发生断裂的螺栓数量仅占总服役螺栓的万分之一,但由于对塔架的安全性要求极高,使用单位对此极为重视,希望确定螺栓断裂的原因和现役螺栓的可靠性。本文对所提供的断裂螺栓的断口、显微组织、显微硬度和微区成分进行了分析,并对断裂螺栓和同批服役的未断裂螺栓螺纹根部缺陷进行了对比观察。

2 螺栓技术条件

委托单位提供了一根断裂螺栓残骸,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[1]。其化学成分(质量分数)为:C0.17%～0.24%,Si0.17%～0.37%,Mn1.30%～1.60%,Ti0.04%～0.1%,P<0.035%,S<0.035%,B0.0005%～0.0035%。螺栓材料在加工前经过严格的化学成分检验,符合标准要求。加工螺栓用毛坯为热轧圆钢。加工前毛坯全样经超声波无损探伤检验合格。螺纹采用滚丝工艺加工。其热处理工艺为880℃油淬,380～400℃中温回火,组织为回火屈氏体[1]。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。并要求全样做超声波无损探伤检验。

螺栓在安装时使用扭力板手预紧,安装预紧扭矩为784N·m。

3 断裂螺栓失效分析

3.1 断口宏观形貌

宏观下,断裂螺栓断口具有脆性特征(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。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌 图2 裂纹源区宏观形貌 6×

裂纹源区位于螺纹根部,其放大形貌见图2,在裂纹源区可观察到一扁长形状的原始裂纹,长约515mm,深约0.8mm,在其旁有一半月形的锈蚀区(见图2)。

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。 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(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。

图3 初始裂纹SEM像 图4 裂纹扩展区沿晶断裂微观形貌

裂纹扩展区微观形貌具有典型的冰糖状沿晶断裂特征(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,见图5。 最终瞬断区断口微观形貌为穿晶断裂特征,见图6。

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。 3.4 金相组织与硬度检测

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[1](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 500×

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。 3.5 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。 3.6 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56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和缺陷是难免的,这些微裂纹和缺陷对螺栓的使用安全应不存在明显的影响。

4 讨论

(1)综合以上分析可以看出,断裂螺栓金相组织正常,宏观和显微硬度都符合技术要求,表明热处理工艺正常。 (2)由于裂纹扩展区断口微观形貌为沿晶断裂[2],用X射线面扫描分析又未观察到合金元素锰、钛和磷在奥氏体晶界的偏聚,可排除回火脆性断裂的可能。根据本文所述螺栓的服役状态,螺栓长期处于无松弛的预应力的状态,且使用环境为露天条件,长期受潮湿大气和雨水的腐蚀,同时在螺栓断裂源区观察到由于加工不当产生的初始裂纹,我们认为螺栓断裂失效的原因是,在初始裂纹尖端形成的应力集中和露天腐蚀性环境共同作用下发生的应力腐蚀开裂。在螺栓断裂面邻近螺纹根部和未断裂螺栓中未观察到应力腐蚀现象,这是由于螺栓不存在初始缺陷,同时螺栓所受载荷应力低于应力腐蚀门槛应力,不足以发生应力腐蚀开裂[3]。

(3)X射线微区元素定性分析结果显示腐蚀物为铁的氧化物,表明上述应力腐蚀的机理是阳极溶解型[3]。由于受测试性能的限制,电子探针仪仅能分析原子序数大于8的元素,硼的原子序数为5,故未能检测到硼的分布状况。根据已有的研究报告,钢中硼的作用是增加钢的淬透性[4],同时硼在奥氏体不锈钢晶界偏聚[5]。但对20MnTiB钢,硼是否在晶界偏聚,以及硼对沿晶开裂的影响需作进一步的研究。

(4)在断裂螺栓未断裂面的另两处螺纹根部区域也观察到了缺陷,根据形态分析,这些缺陷不是在螺栓服役中产生,而是在螺栓加工过程中产生的原始缺陷。

(5)根据对未断裂螺栓的超声波无损探伤和螺纹根部缺陷分析观察,结合本结构中的十万只螺栓在长期使用后仅十几只螺栓断裂的结果来看,加工不当产生的初始缺陷是导致螺栓断裂的主要原因。结构中的现役螺栓的总体安全性无问题,使用中只要定期对结构进行检查,发现断裂螺栓及时更换,可保证结构的使用安全。

5 结论

螺栓断裂失效的主要原因是由于螺栓根部存在着初始裂纹,初始裂纹尖端的应力集中和露天工作环境的共同作用使螺栓产生应力腐蚀开裂。应力腐蚀开裂的方式是阳极溶解型。