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标准与技术

螺栓延迟断裂性能

发布时间:2019-01-11   来源:智能紧固件及紧固工具  

  钢的回火马氏体组织具有良好的强度和韧性,而且还可以通过调整碳和合金元素等添加元素的种类、数量和热处理工艺而控制其强度,因此在合金结构钢中得到了十分广泛的应用。然而回火马氏体钢在自然环境下易发生延迟断裂,并且延迟断裂的敏感性随强度的提高而增大。随着强度的提高,特别是当抗拉强度超过1200MPa时,延迟断裂强度急剧降低。因此,回火马氏体钢的实际使用强度往往受到限制。延迟断裂时紧固件等机械零部件高强度化时必须注意的问题。

  高强度螺栓属于缺口零件,具有很高的缺口敏感性,容易在缺口集中部位如杆与头部的过渡处或螺纹根部产生延迟断裂。因此,高强度螺栓钢的延迟断裂是一个十分典型的示例,由此造成的事故屡屡发生,经济损失相当惊人。例如日本在20世纪80年代初,架设在阪神高速公路的阿波罗桥上和东京高速公路上的高强度螺栓先后发生多起延迟断裂破坏,对此决定采用超声波定期对全部螺栓进行检查,工作量十分巨大,仅每年的费用就高达1亿日元。由于高强度螺栓的延迟断裂事故频繁发生,对抗拉强度超过1200MPa的螺栓多采取尽量不使用的办法。日本在JIS B1186-1967标准修订中,高强度螺栓级别分为F8T、F10T、F11T,明确废止F13T级螺栓;在1977年以后,即使在正常强度范围内使用的F11T级螺栓也发生了多起延迟断裂事故,因此在1979年重新修订中建议不再使用F11T级螺栓;在1981年,铁道桥则终止使用F11T级螺栓。

  延迟断裂的概念与特征

  延迟断裂,又称为滞后断裂,是在静止应力作用下的材料,经过一定时间后突然脆性破坏的一种现象。改词最早在20世纪40年代用于指玻璃等脆性材料的滞后断裂现象。20世纪50年代以后,随着航空用镀镉高强度螺栓的滞后断裂而逐渐得到广泛的使用。

  延迟断裂现象是材料—环境—应力相互作用而发生的一种环境脆化,是氢致材质恶化(氢损伤或氢脆)的一种形态。其他的氢致材质恶化还包括氢致塑性损失、氢压引起的微裂纹(如钢中白点、焊接冷裂纹、H2S或酸中浸泡裂纹)、高温高压氢腐蚀、氢化物相的产生和氢致马氏体相变等。其中由于原子氢损伤扩散、富集所引起的氢致塑性损失及氢致延迟断裂为可逆氢脆,所谓延迟是指恒载荷(或恒位移)条件下,原子氢通过应力诱导扩散富集到临界值需要经过一段时间,故加载后经过一定时间后氢致裂纹才会形核和扩展。如将原子氢除去后就不会发生延迟断裂,故它是可逆的。

  应当指出的是,由氢引起的钢铁材料材质恶化形态多种多样,因材料强度水平、含氢环境种类等不同,其称呼往往不尽相同:对于高强度钢(抗拉强度Rm≥980MPa)通常称为延迟断裂;对于中等强度钢(980MPa>Rm≥490MPa)通常称为硫化物裂纹、硫化物应力腐蚀裂纹;对于低强度钢(Rm<490MPa)通常称为氢致裂纹、氢诱导裂纹、氢鼓泡等。

  广义的延迟断裂包括氢脆、应力腐蚀和液体金属脆。由于高强度钢在水介质中的应力腐蚀实质上是一种氢致开裂过程,因此本文所指的延迟断裂主要是高强度钢的氢致延迟断裂和在水介质中的应力腐蚀。

  延迟断裂现象是妨碍机械制造用高强度化的一个主要因素。它大体上分为以下两