扁圆头方颈螺栓是一种常用的螺纹紧固件。螺栓材料为304不锈钢,扁圆头方颈螺栓具有优异的耐腐蚀性、耐高温性以及良好的力学性能,广泛应用于机械工程、交通工具、建筑工程和高速公路护栏等领域[1]。服役状态下的扁圆头方颈螺栓的失效严重威胁机械设备的运行安全[2]。为此,对扁圆头方颈螺栓的断裂原因进行分析,对于其结构设计、制造工艺、质量检验和使用维护具有重要的意义。
某设备在役304不锈钢扁圆头方颈螺栓在紧固使用一段时间后,再次正常紧固复检时发生了断裂现象。该批次扁圆头方颈螺栓的制造工艺为：下料→成形→搓牙→洗光→成品检验→包装。笔者采用宏观观察、化学成分分析、断口分析、金相检验、金属流线检测、着色渗透检测和力学性能测试等方法对螺栓断裂原因进行分析,并提出相应的改进措施与建议,以防止该类事故再次发生。
1. 理化检验1.1 宏观观察断裂扁圆头方颈螺栓由杆部和头部组成,二者通过方颈连接,断裂螺栓宏观形貌如图1所示。由图1可知：断裂发生于螺栓头部与方颈的连接处,断口附近不存在明显塑性变形、磨损、腐蚀等现象。
图 1 断裂螺栓宏观形貌
1.2 化学成分分析在扁圆头方颈螺栓断口区域取样,采用直读式光谱仪对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 4356—2016 《不锈钢盘条》对304不锈钢的要求。
Table 1. 断裂螺栓试样的化学成分分析结果
项目
质量分数
C
Si
Mn
P
S
Ni
Cr
Mo
Cu
实测值
0.02
0.28
0.66
0.028
0.003
8.37
18.22
0.180
2.05
标准值
≤0.08
≤1.00
≤2.00
≤0.045
≤0.030
8.00～11.00
18.00～20.00
—
—
1.3 断口分析在光学显微镜下观察断口,断口低倍形貌如图2所示。由图2可知：断口平齐洁净,表面金属呈亮灰色,可见明显的放射状条纹,条纹收敛于断口内部(如图中箭头所示),断面无明显挤压磨损或腐蚀现象。
图 2 螺栓断口低倍形貌
为进一步分析断口微观形貌,采用扫描电镜(SEM)对断口区域的A、B、C、D 4个部位进行分析。螺栓断口的SEM形貌如图3所示。由图3可知：断口总体呈明显的解理断裂特征,其中,仅D区可见较为明显的韧窝特征[3]。
图 3 螺栓断口的SEM形貌
1.4 金相检验用光学显微镜观察断裂螺栓头部的纵截面,结果如图4所示。由图4可知：头部金属流线连续,且沿外形分布,断裂处并非是螺栓头部金属流线的密集部位(变形最大区域)。
图 4 螺栓头部纵截面微观形貌
断裂起始区的微观形貌如图5所示。由图5可知：断裂起始区无明显的夹杂物、疏松等冶金缺陷。
图 5 螺栓断裂起始区微观形貌
螺栓断口非金属夹杂物微观形貌如图6所示,根据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》规定,判定该非金属夹杂物为D类细系0.5级,符合标准要求。
图 6 螺栓断口非金属夹杂物微观形貌
1.5 金属流线检测对同批次扁圆头方颈螺栓试样头部进行金属流线检测,螺栓试样头部金属流线如图7所示。由图7可知：同批次扁圆头方颈螺栓试样的金属流线相对于中心线基本对称,流线清晰且连续完整,无不均匀和紊流的现象[4]。
图 7 螺栓试样头部金属流线
1.6 着色渗透检测采用着色渗透检测法对同批次扁圆头方颈螺栓试样进行裂纹检测,结果表明：螺栓头部与方颈结合处不存在裂纹缺陷,排除了金属原始裂纹导致螺栓断裂的原因。
1.7 力学性能测试采用材料拉伸试验机对同批次的完好扁圆头方颈螺栓试样进行室温轴向强度测试,获得抗拉强度、屈服强度等指标,结果如表2所示。断裂位置并未发生在头杆与方颈结合处,且断口存在明显的塑性变形,断面与轴向呈45°角,判断为正常的塑性断裂。由表2可知：扁圆头方颈螺栓材料的抗拉强度符合GB/T 3098.6—2023 《紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉和螺柱》标准要求。
Table 2. 螺栓试样的室温轴向强度测试结果
项目
屈服强度
抗拉强度
实测值
546～561
780～789
标准值
450
700
2. 综合分析综上所述,断裂螺栓试样的显微组织、非金属夹杂物、头部金属流线、冶金缺陷和化学成分均无异常。同批次螺栓试样的金属流线检测、裂纹检测结果均正常,抗拉强度、断裂位置均符合相应标准要求。
扁圆头方颈螺栓断裂位置为头部与方颈的连接处,断口附近无明显塑性变形。断口平坦洁净,可见明显的放射状条纹,条纹收敛于断口内部,说明断裂起始于头部的心部位置[5]。断口呈大面积的解理断裂特征,结合螺栓断裂是发生在再次锁紧的工况下,因此判定断裂扁圆头方颈螺栓的断裂性质为脆性过载断裂。
一般情况下,奥氏体不锈钢发生过载断裂时应呈现韧性断裂特征,即断口微观形貌以韧窝形状为主[6－7]。因此,判断螺栓断裂形式属于非正常断裂,其原因与头部断裂起始区存在应力集中有关。虽然在同批次螺栓试样中未发现内部金属流线问题,但根据文献[4]推断,失效螺栓试样的应力集中主要由头部断裂起始区的金属流线紊乱引起。
3. 结论与建议(1) 螺栓断裂性质为脆性过载断裂。
(2) 螺栓断裂原因与头部断裂起始区存在应力集中有关,而造成应力集中的原因主要为内部金属流线紊乱,建议后续增大螺栓金相检验抽检频率,改进螺栓的成形质量。
文章来源——材料与测试网
