1、文章编号 :100321545 (2004) 0420028204螺栓断裂分析张海峰 1 ,2 ,邢建东 1 ,郭卫红 2 ,张永辉 2(1. 西安交通大学 ,陕西 西安 710049 ;2.洛阳船舶材料研究所 ,河南 洛阳 471039)摘 要 :采用多种分析手段对螺栓断口及基体进行分析 ,并从螺栓的使用环境、受力情况及工作状况分析和探讨了断裂的原因。结果表明 ,螺栓的断裂是由于缝隙腐蚀引起 ,在应力腐蚀及腐蚀疲劳的作用下最终导致螺栓断裂 ,是由多种因素综合所致。关键词 :螺栓 ;缝隙腐蚀 ;应力腐蚀 ;疲劳中图分类号 : TG172. 2 文献标识码 :A收稿日期 :2004 - 04 -
2、 02射流水翼船 (J ETFOIL ) 是一种海上交通工具 ,用于中短途旅客的快速运输 ,射流水翼船一般由大、中、小 3 组前水翼组成 ,其中中心的一组最大 ,边缘的一组最小。本文针对某船在使用过程中前水翼固定螺栓中大号螺栓的断裂问题 ,采用化学分析 ,力学性能分析及组织结构微观分析等多种手段 ,对螺栓发生断裂的原因加以分析 ,以期为螺栓的合理选材提供依据。1 试验方法及结果1. 1 断口宏观观察图 1 为大号螺栓及其衬套 (右二 ) 的宏观形貌。螺栓直径为 22mm , ,断裂成 3 截 ,断口处有明显且很深的环状腐蚀 ,其衬套也有明显的环状腐蚀带 ,螺栓及螺母的材质不明。肉眼观察 4 个
3、断口 ,其形貌可以分为 2 部分 ,即黑色腐蚀区域 (断口外圈约 2 3mm 部分 ) 和内部白色断口区域 ,断口呈棘轮状 ,实物断口形貌见图 2。图 1 大号螺栓及其衬套断口宏观形貌1. 2 材质定性分析使用能谱仪 ( EDX) 对螺栓、螺母及衬套材质进行初步分析 ,并对断口上的腐蚀产物进行分析 ,结果如表 1 所示。图 2 实物断口形貌82 材 料 开 发 与 应 用 第 19 卷第 4 期 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表 1 各部位能谱分析结果 ( w ) %分析部位 Al
4、Ti Mn Fe Ni Cu V Mg Si Ca S Cl螺栓基体 1. 3 0. 6 0. 74 0. 92 62. 78 33. 66螺母基体 2. 95 93. 4 3. 64腐蚀产物 1. 51 3. 32 0. 97 3. 33 51. 3 31. 0 0. 97 0. 73 1. 48 1. 72 3. 74由此 1 可见 ,螺栓材料均为镍基合金。大号螺栓上的螺母材料为钛合金。断口腐蚀产物含有较高的 S、 Cl。1. 3 化学分析 :大号螺栓的化学分析结果见表 2 ,螺母的化学成分见表 3。表 2 大号螺栓材质化学分析结果 ( w ) %编号 Cu Fe Mn Si C S Ni
5、 Al Ti试样 29. 15 0. 904 0. 731 0. 147 0. 160 0. 0018 余量 3. 06 0. 483Monel K500 规范 余量 F2. 0 F1. 5 F0. 5 F0. 25 F0. 01 63 70 2. 5 3. 5 0. 35 0. 85表 3 大螺栓上螺母化学分析结果 ( w ) %编号 Al V Fe Si C试样 5. 94 4. 02 0. 14 0. 027 0. 034TC4 5. 5 6. 8 3. 5 4. 5 F0. 30 F0. 15 F0. 10由表 2、表 3 可见 ,大号螺栓的材质符合 Mon2el K500 规范要求
6、,其螺母上的材质符合 TC4 的国家标准。1. 4 力学性能 :表 4 为大号螺栓拉伸试验结果。表 4 大螺栓原材料拉伸试验结果编号 s/ MPa b/ MPa 5/ % / % HRC试样 730 1170 19 45 35. 5Monel K500 规范 E 590 E 880 E 15 - -可见 ,试样材质性能符合 Monel K500 规范要求。1. 5 金相分析 :用线切割切取包含断口的大螺栓金相样品 ,分别对径向、轴向进行金相分析。径向截面抛光后观察发现其形貌呈树枝状 ,从裂纹形态上看属于典型的应力腐蚀开裂 ,如图3 所示。图 4 为最先产生腐蚀的靠近螺栓外表面的形貌 ,是均匀腐
7、蚀的等高形貌。图 5 为裂纹形态及走向。图 3 径向截面裂纹形态 50 图 4 均匀腐蚀等高形貌 200 图 5 裂纹走向 (腐蚀状态 ) 100 图 6 为裂纹尖端的局部放大 ,可以看到裂纹主要为沿晶形式 ,也有少量穿晶形式。图 7、图 8为轴向截面断口的表面腐蚀形貌、腐蚀空穴及裂纹。图 9 为内部裂纹形貌及走向。由图 9 可见两种类型的裂纹 ,其中较宽的为应力腐蚀裂纹 ,与其接近垂直的裂纹呈台阶状 ,具有腐蚀疲劳特征。两个方向的裂纹接近直角 ,说明受扭转力或互相垂直的两个力。其金相组织为 :等轴 相 + 黑色质点 (析出相 ) ,晶粒度为 10 级 ,见图 10。92第 19 卷第 4 期
8、 张海峰等 :螺栓断裂分析 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图 6 裂纹尖端形貌 400 图 7 轴向截面断口表面腐蚀形态 50 图 8 轴向截面断口表面腐蚀形貌 50 图 9 轴向截面断口处应力腐蚀 + 腐蚀疲劳 100 图 10 轴向截面断口处金相组织 400 1. 6 扫描电镜分析用扫描电子显微镜对腐蚀及断裂部件进行形貌观察分析 ,发现裂纹起源于螺栓圆周表面 ,为明显的多源特征 ,裂纹从外向内扩展 ,最后断裂区在断口中部。裂纹源区、裂纹扩展区形貌主要为晶间腐蚀 ,如图 11、图
9、12 所示。图 11 裂纹源区图 12 裂纹扩展区图 13、图 14 为最后断裂区形貌 ,为韧窝特征 ,从图中反映出的金属变形特征可以断定螺栓在最后断裂时受到一定的扭矩作用。2 讨论由于送检样是大螺栓 3 个已断裂的部分 ,断03 材 料 开 发 与 应 用 2004 年 8 月 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.口已不新鲜 ,而且断裂部位均遭受严重腐蚀 ,该部位强度大大降低。从上面的分析结果可知 :大号螺栓及所有的衬套材质为镍基合金 ,成分与 Mon2el K500 合金一致。螺母为钛
10、合金 ,为 TC4。所有Monel 合金制造的部件均发生了严重的局部腐蚀。图 13 最终继裂区图 14 裂纹扩展区与扭断区界面Monel 合金具有很高的强度、能抵抗高速流动的海水的腐蚀 ,广泛地用来制造各种阀的调节器和泵轴 ,但在静止海水中易发生点蚀 ,不耐氧化性介质 (如 :氯化铁、硫酸铜等 ) 的腐蚀及潮湿的氯气、二氧化硫等的腐蚀。腐蚀疲劳产生的条件是要有交变应力及腐蚀环境 ,其特征是从金相观察可以看到台阶状裂纹。从大螺栓断裂的部位及衬套腐蚀部位看 ,断裂均发生在安装存在缝隙部位 (轴承处 ) ,其最初的腐蚀符合缝隙腐蚀 1 的条件 ,腐蚀形貌为点蚀、溃疡状 ,断口四周腐蚀与缝隙腐蚀形貌相
11、同 ,为缝隙腐蚀。当缝隙腐蚀达到一定程度、腐蚀坑达到一定深度时 ,在交变外力及内应力的作用下 ,腐蚀坑尖端产生应力集中 ,加上腐蚀介质的共同作用 ,产生应力腐蚀 2 和腐蚀疲劳 3 。3 结论(1)大号螺栓材质为 Monel K500 合金 ,其上的螺母材质为 TC4 钛合金。在螺栓断口腐蚀产物中含有大量的硫、氯元素。(2)大号螺栓在使用过程中首先发生了缝隙腐蚀 ,当腐蚀坑的大小和深度达到一定程度时 ,交变外力及内应力使腐蚀坑尖端产生应力集中 ,在腐蚀介质的作用下 ,产生应力腐蚀及腐蚀疲劳 ,在上述 3 种失效形式的共同作用下发生断裂失效。(3)建议合理选材并采取相应的保护措施 ,以避免断裂失
12、效的发生。参考文献 :1 魏宝明主编 . 金属腐蚀理论及应用 M .北京 :化学工业出版 ,1984.2 尤里克 H H ,等 . 腐蚀与腐蚀控制 M .北京 :石油工业出版社 ,1994.3 贾斯克 C E著 ,吴荫顺 ,杨德均译 . 海洋工程中的金属腐蚀疲劳 M .北京 :冶金工业出版社 ,1989.Analysis on the Failure of High Strength Steel BoltsZHA N G Hai2f eng1 ,2 , X IN G Jian2dong1 , GUO Wei2hong2 , ZHA N G Yong2hui2(1. Xi an Jiaotong
13、 University ,Xi an 710049 ,China ,2. Luoyang Ship Material Institute , Luoyang 471039 , China)Abstract :Analysis on the features of the fracture and the body of high strength steel bolts were carried out and the failure factorswere analyzed considering the loading conditions and the working conditio
14、ns of the bolts in their application environment. Theresults shown that the failure cracks of the bolts were initially induced by crevice corrosion ,and the stress couuosion and fatiguecorrosion brought about propagation of the cracks ,and finally the failures occured ,that is to say ,the failures of the bolts were re2sult from several fators.Keywords :Bolts ;Crevice corrosion ;Stress corrosion ; Fatigue13第 19 卷第 4 期 张海峰等 :螺栓断裂分析 1995-2006 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.
