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20MnTiB 螺栓失效分析
1 概述
高强度螺栓是继铆接、焊接之后发展起来的一种钢结构连接型式。它具有施 工简单、可拆卸、承载大、耐疲劳、较安全等优点。因此, 高强度螺栓连接已发 展成为钢结构工程安装的主要手段°20MnTiB钢高强度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。
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图1断裂螺栓断口宏观形貌
图2裂纹源区宏观形貌

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，如见图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。
裂纹扩展区微观形貌具有典型的冰糖状沿晶断裂特征，如见图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，如图5。最终瞬断区断口微观形貌为穿晶断裂特征，如图6。
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图3初始裂纹SEM像 图4裂纹扩展区沿晶断裂微观形貌
图5断面腐蚀物
图6瞬断区穿晶断裂微观形貌
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。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，如见图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

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〜。在距表面51“m处,显微硬度偏低，在285〜 之间，表明螺栓表面有轻微的脱碳现象。

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。
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5、6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
10〜20“m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。
实验结果与讨论
综合以