20MnTiB钢螺栓断裂失效分析

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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。