MnTiB钢螺栓断裂失效分析.doc

20MnTiB钢螺栓断裂失效分析
来源: 作者: 时间:2007-11-10 点击: 29
20MnTiB钢螺栓断裂失效分析
王弘,高庆,戴振羽
(西南交通大学应用力学与工程系,成都610031)
 
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:%~%,%~%,%~%,%~%,P<%,S<%,%~%｡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-,σb为1040~1240MPa,σs≥940MPa,δ5≥10%,ψ≥42%,Ak≥·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
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,,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