分享：吊环螺钉断裂原因

• 付洋洋1, 2, 

• 1.

  上海材料研究所有限公司 检测中心，上海 200437

• 2.

  上海市工程材料应用与评价重点实验室，上海 200437

吊环螺钉是一种标准紧固件，在机电产品中应用广泛，其主要作用是起吊载荷[1]，通过设计可方便地调整方向和角度，以适应各种复杂的吊装需求。该螺钉不仅具有出色的旋转性能，还具备极高的承载能力和稳定性[2]。某单位使用的吊环螺钉材料为20号钢，规格为M12，生产工艺为：断料→热锻→去除飞边→抛丸→加工→滚丝→正火→电镀/驱氢→检测包装。电梯在井道安装过程中，使用固定在对重装置上的吊环起吊时，吊环螺钉发生断裂事故。吊环螺钉的外观如图1所示。笔者采用一系列理化检验方法对该螺钉的断裂原因进行分析，以防止该类事故再次发生。

图  1  吊环螺钉外观

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1.   理化检验

1.1   宏观观察

在断裂的吊环螺钉上截取试样，清洗后的断口宏观形貌如图2所示。由图2可知：断口呈银灰色，存在碰伤，未见明显塑性变形，断口上可见旋转放射纹，放射纹收敛于螺钉表面，该处为断裂源区，断口上可见剪切唇，为最后断裂区。

图  2  清洗后的断口宏观形貌

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1.2   化学成分分析

对吊环螺钉进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：吊环螺钉的化学成分符合GB/T 699—2015《优质碳素结构钢》对20号钢的要求。

Table  1.  吊环螺钉的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	Si	Mn	P	S	Cr	Ni	Cu
实测值	0.17	0.18	0.43	0.025	0.007	0.032	0.015	0.022
标准值	0.17~0.23	0.17~0.37	0.35~0.65	≤0.035	≤0.035	≤0.25	≤0.30	≤0.25

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1.3   力学性能测试

从吊环螺钉上取样，对试样进行洛氏硬度测试，结果分别为85.5，86.0，86.0 HRB，符合硬度为67~95 HRB的技术要求。

1.4   扫描电镜（SEM）和能谱分析

将断口试样置于扫描电子显微镜下观察，并对其进行能谱分析，结果如图3~4所示。由图3~4可知：断裂源区可见异物覆盖[见图3（a）]，可检测到锌元素[见图3（b）]；断口放射纹区域呈剪切韧窝及正韧窝形貌特征[见图4（a）和4（b）]；断口最后断裂区呈解理形貌特征[见图4（c）]。从断口的SEM形貌可知，吊环螺钉在外力作用下发生一次性断裂。

图  3  吊环螺钉断裂源区SEM形貌及异物能谱分析结果

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图  4  吊环螺钉断口SEM形貌

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用SEM对断裂源区处的剖面试样进行分析，结果如图5所示。由图5可知：断裂源区剖面处可见异物，异物处含有锌元素。

图  5  吊环螺钉断裂处剖面SEM形貌及异物能谱分析结果

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在螺钉的螺纹根部发现裂纹，裂纹内可见异物（见图6），对异物进行能谱分析可知，异物处含有较高含量的锌元素（见图7）。从SEM与异物的能谱分析结果来看，螺钉在电镀前就存在裂纹。

图  6  吊环螺钉剖面SEM形貌

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图  7  吊环螺钉剖面能谱分析结果

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1.5   金相检验

将剖面金相试样腐蚀后，置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：试样的显微组织为铁素体+珠光体。

图  8  吊环螺钉显微组织形貌

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2.   综合分析

送检吊环螺钉的化学成分与洛氏硬度均符合相关技术要求。对其断口进行宏观观察可知，断口上存在放射纹，且收敛于螺钉表面，此为断裂源区，同时断口上可见剪切唇，为最后断裂区。由SEM分析结果可知，放射纹区域主要呈现剪切韧窝及正韧窝形貌特征，最后断裂区则呈解理形貌特征，这表明吊环螺钉在外力的作用下发生一次性断裂。由能谱分析结果可知，断裂源区的断口处及剖面均存在锌元素，螺纹根部的裂纹中也存在锌元素，而吊环螺钉的生产工艺需经过电镀处理，由此说明在电镀前螺钉就已存在裂纹，锌元素在电镀过程中进入了裂纹。

3.   结论

原始裂纹的存在破坏了吊环螺钉的连续性[3]，削弱了其结构的完整性，使得吊环螺钉的强度降低，从而加速其失效过程，导致其在吊装过程中发生断裂[4-5]。