图 1 断裂锚栓断口低倍形貌
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摘要:
某后扩底锚栓发生断裂现象，采用低倍检验、化学成分分析、扫描电镜和能谱分析、金相检验、硬度测试等方法对其断裂原因进行分析。结果表明：锚栓的显微组织、螺纹表面连续性、力学性能及化学成分均未见异常；锚栓的断裂模式为疲劳断裂，螺纹牙底腐蚀凹坑加剧了该部位的应力集中程度，在周期性载荷的作用下，疲劳裂纹萌生并扩展，最终导致锚栓断裂。
紧固件具有安装快速、互换性强的特点，被广泛应用于工业领域，如汽车、风电、核电、轨道交通等；后扩底锚栓是紧固件的一种，具有极高的承载能力、抗疲劳、抗振动及安全可靠等诸多优点，被用于安全性要求极高的场合。锚栓生产工艺的每个环节对其质量都至关重要，更与整个装备或结构的安全可靠运行密切相关[1-3]。近年来，在铁路、隧道、桥梁、消防管道、线缆支架的安装固定过程中，后扩底锚栓的应用越来越普遍。尽管我国制造业发展迅速，对产品可靠性的重视程度也日益提高，但每年因锚栓产品质量问题导致的事故仍层出不穷，不仅造成较大的经济损失，而且关乎人身安全。作为紧固件的一种，后扩底锚栓的断裂模式种类繁多[4]。因此，分析螺纹紧固件疲劳断裂的原因并采取必要措施，降低其疲劳断裂风险显得尤为重要。
某商场地下停车场用于支撑150 mm口径自来水管道支吊架的固定用锚栓，在安装约3 a后发生断裂事故。该后扩底锚栓安装于地下停车场楼板混凝土中，用于固定支撑自来水管的支吊架，其规格为M12，材料为10B21钢，性能等级要求为8.8级，生产工艺为：下料→头部成型→粗加工→滚丝→热处理（调质处理）→表面镀锌。笔者采用一系列理化检验方法对锚栓的断裂原因进行分析，并提出相关措施与建议，以避免类似事故再次发生。
1. 理化检验
1.1 低倍检验
采用体视显微镜对断裂锚栓断口进行低倍形貌观察，结果如图1所示。由图1可知：断面较平坦，基本与螺栓轴向垂直，断面上存在不同程度的腐蚀痕迹，整个平坦区域可见明显的“海滩花样”特征；断面边缘可见由多源起裂的裂纹扩展并汇合形成的“轮辐状”放射台阶。从海滩花样的收敛特征可判断，断口起裂区位于边缘螺纹牙底部位（图示标记区域）；断面终断区域面积较小，约占整个断面的5%，且与锚栓轴向呈约45°，这是因为在平面应力条件下，断裂时名义应力高于材料的屈服强度。
1.2 扫描电镜（SEM）及能谱分析
采用扫描电镜及能谱仪对锚栓断口进行分析，结果如图2，3所示。由图2,3可知：裂纹源附近存在大量“轮辐状”台阶；断面覆盖了不同程度的腐蚀产物，局部断面形貌被覆盖；腐蚀产物中除了基体氧化物外，还存在腐蚀性元素S。
将断面进行适当清洗后，断面腐蚀产物基本被去除，“海滩花样”特征清晰可见（见图4）。起裂区附近存在麻点状腐蚀凹坑，但未发现明显夹杂、夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷，也未观察到磕碰、磨损等机械损伤痕迹，以及折叠、陈旧性裂纹等缺陷。裂纹扩展区呈现典型的疲劳条带特征，条带间距细密，约为1 μm；终断区呈韧窝特征形貌。
1.3 金相检验
在断裂锚栓断口附近完好螺纹段取样，将试样镶嵌、研磨、抛光后，置于光学显微镜下观察，结果如图5所示。由图5可知：螺纹牙底部位存在深浅不等的腐蚀凹坑，凹坑最大深度约为50 μm，腐蚀凹坑底部可见两条深度不等的裂纹，裂纹最深处为0.22 mm。用体积分数为4%的硝酸乙醇溶液腐蚀试样，再置于光学显微镜下观察，结果如图6所示。由图6可知，裂纹走势较直，呈穿晶特征扩展，裂纹中嵌有腐蚀产物，从裂纹形态判断，该裂纹为起始于腐蚀凹坑部位的疲劳裂纹。
断口起裂区附近微观形貌如图7所示。由图7可知：疲劳裂纹萌生于螺纹牙底部位，起裂区附近未见明显夹杂、夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷，起裂区附近螺纹表面和断面均可见腐蚀凹坑；腐蚀后组织为均匀的回火索氏体，未见机械损伤、组织变形痕迹等异常情况。
在远离断口的完好螺纹部位取样，并将试样置于光学显微镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：螺纹部位显微组织存在轻微的部分脱碳现象，但螺纹表面未发现折叠、裂纹等不连续性缺陷；锚栓心部组织为均匀的回火索氏体，未见明显异常。
依据GB/T 10561—2023《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》，对试样进行非金属夹杂物检测，结果如图9所示。由图9可知：试样中存在C类硅酸盐（细系）1.5级和D类球状氧化物（细系）1级非金属夹杂物，未发现其他类型夹杂物。
1.4 硬度测试
根据GB/T 3098.1—2010《紧固件机械性能 螺栓、螺钉和螺柱》，采用显微维氏硬度计对断裂锚栓进行硬度测试，结果如表1所示。由表1可知：第2点的硬度HV2比第1点的硬度HV1低15 HV0.3，说明螺纹部位存在部分脱碳现象，但差值未超过30 HV0.3，表明该螺纹未脱碳层高度E值符合标准对8.8级螺纹的要求；第3点硬度HV3比第1点低9 HV0.3，说明该螺纹不存在增碳现象。由此可见，螺栓的脱碳、增碳试验结果均符合标准要求。
Table 1. 断裂锚栓硬度测试结果
| 项目 | HV1 | HV2 | HV3 |
|---|---|---|---|
| 实测值 | 281 | 266 | 272 |
| 标准值 | — | ≥HV1-30 | ≤HV1+30 |
在距离末端d处取样，对试样进行心部硬度测试，测得心部硬度分别为29.0，28.8，29.3 HRC，心部平均硬度为29.0 HRC，符合标准对8.8级螺栓心部硬度的要求。在断口起裂区附近进行梯度硬度测试，结果如图10所示。由图10可知：表面部分脱碳导致近表面硬度略低于心部硬度，但硬度均符合8.8级螺栓的硬度要求（250~320 HV）。
1.5 化学成分分析
采用直读光谱仪对断裂锚栓取样，并对试样进行化学成分分析，结果如表2所示。由表2可知：锚栓的化学成分符合技术要求。
Table 2. 断裂锚栓的化学成分分析结果
| 项目 | 质量分数 | |||||
|---|---|---|---|---|---|---|
| C | Si | Mn | P | S | B | |
| 实测值 | 0.21 | 0.069 | 0.87 | 0.014 | 0.005 | 0.002 1 |
| 标准值 | 0.18~0.23 | ≤0.10 | 0.60~0.90 | ≤0.030 | ≤0.050 | 0.000 5~0.003 |
2. 综合分析
锚栓断裂位置为螺纹段与螺母旋合的第一扣螺纹牙底，断口附近未见明显宏观塑性变形特征，锚栓表面及断面覆盖有腐蚀产物；断面存在较大面积的平坦区域，约占整个断面的90%，说明裂纹缓慢扩展，裂纹扩展的临界应力较小；平坦区基本与锚栓轴向垂直，尽管断面上覆盖有腐蚀产物，但仍可见明显的“海滩花样”特征，断面边缘可见多源裂纹扩展并汇合后形成的“轮辐状”台阶。从“海滩花样”的收敛特征和“轮辐状”台阶的分布可判断：起裂区位于断面边缘的螺纹牙底部位，呈多源起裂特征；失稳终断区与轴向呈约45°。对断面腐蚀产物的能谱分析结果显示，除基体的氧化锈蚀外，还存在S、Cl等腐蚀性元素。断面起裂区附近未发现明显的夹杂、夹渣、气孔、疏松等冶金缺陷，无磨损、磕碰等机械损伤痕迹，也无折叠、陈旧性原始裂纹等缺陷；裂纹缓慢扩展区可见典型的疲劳条带特征，且条带间距细密；失稳终断区呈韧窝形貌特征，随着裂纹的扩展，锚栓有效截面面积逐渐减小，最终因无法承受工作应力而形成过载断口。综上分析判断，该断裂锚栓的断裂模式为疲劳断裂。
影响紧固件疲劳寿命的因素可分为内因和外因，其中内因即自身质量，包括几何外形、加工工艺、材料冶金质量（相对影响较小）；外因包括环境因素、装配质量与外部载荷，这些因素通常相互联系、相互影响，是紧固件失效的根本原因[5]。螺纹结构紧固件是典型的应力集中产品，尤其是螺纹牙底部位应力集中更为突出，其应力集中系数为4~9，这也是螺纹紧固产品疲劳强度远低于材料本身的原因。锚栓断裂位置为与螺母旋合的第一扣螺纹牙底部位，根据外螺纹与内螺纹啮合时，螺纹部位受力分布不均匀的特征，螺母支承面附近的第一扣螺纹部位通常承受最大的静态载荷，约占总预紧力的34%，因此螺纹紧固件的疲劳破坏通常发生在该部位[6]。对远离断口处螺纹的金相检验结果显示，锚栓组织为均匀的回火索氏体，虽然表面存在部分脱碳现象，但螺纹部位的脱碳试验及硬度测试结果均符合8.8级产品要求，螺纹表面也未发现加剧应力集中的不连续性缺陷，化学成分也符合技术要求，因此可排除锚栓材料、生产制造过程导致质量问题的可能。
断口附近螺纹牙底部位存在深度不等的腐蚀凹坑，最大凹坑深度约为50 μm，断口起裂区附近同样可见腐蚀凹坑痕迹，螺纹牙底部位的腐蚀凹坑加剧了该部位的应力集中程度[7]，交变载荷极大地促进了疲劳裂纹的萌生；断口附近螺纹牙底腐蚀凹坑部位可见深度约为0.22 mm的裂纹，可推测该裂纹为起始于腐蚀凹坑处的疲劳裂纹，这也说明螺纹表面腐蚀对疲劳裂纹萌生存在促进作用。
从锚栓的服役工况分析，该锚栓服役于地下停车场，常年处于潮湿环境；自来水管道中水流不平稳带来的湍流振动会增大锚栓所承受的应力，进而恶化其工况；从锚栓杆部表面局部的磨损情况判断，服役过程中锚栓与被连接件之间存在相对位移，说明该处存在周期性载荷；紧固件在正常预紧情况下仅承受轴向拉伸载荷，而当紧固不到位或发生预紧力衰减时，单一的轴向载荷会转变为弯曲、扭转、剪切等复杂载荷的共同作用，极易在应力集中部位萌生疲劳裂纹[8]。从锚栓的疲劳扩展痕迹判断，其在服役过程中所受应力较小，疲劳裂纹扩展较为缓慢，且疲劳裂纹的扩展与腐蚀同步进行，最终导致锚栓断裂。
3. 结语与建议
（1）锚栓断裂模式为腐蚀疲劳断裂。
（2）锚栓螺纹牙底腐蚀产生的腐蚀凹坑加剧了螺纹牙底的应力集中程度，在环境工况周期性应力作用下，锚栓萌生疲劳裂纹，在裂纹扩展与腐蚀的作用下，最终锚栓断裂。
（3）建议采用防腐蚀性能更好的涂覆工艺替代表面电镀锌处理工艺，以提高材料的耐腐蚀性能；再增加维护保养频次，减小因预紧力不足带来的周期性载荷。
来源--材料与测试网
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