高强度螺栓摩擦式连接和压力式连接的区别

1.物理和化学测试

螺栓在杆部断裂，断裂的宏观形貌如图1所示。螺栓断裂方向垂直于轴线，整个断裂在宏观上可分为三个区域：断裂源区、辐射区和剪切唇区。断裂源区位于断裂中心，面积较小；辐射区为快速脆性断裂区，呈现明显的放射状条纹特征，放射状条纹向断裂中心（即断裂源）汇聚，辐射区面积较大，约占断裂总面积的70%～80%；剪切唇区位于断裂边缘，是最终断裂区，与断裂面呈约45°角。这些特征表明，该螺栓断裂是典型的拉伸载荷下的混合断裂，以脆性断裂为主。

2. 化学成分分析

使用 Labspark750 火花光谱仪对螺栓的化学成分进行了分析，结果如表 1 所示。从表 1 可以看出，螺栓的化学成分符合 B7 钢协议的技术要求。

3. 断裂分析

采用日本JSM-6480扫描电子显微镜和牛津INCA-350能谱仪观察螺栓断裂的微观形貌和微区组成。断裂为异常的沿晶断裂或沿晶+局部穿晶解理断裂，该区域尺寸为400-550 μm。断裂源区沿晶断裂的形貌如图2所示，断裂源区局部脆性穿晶解理断裂的形貌如图4所示，准解理断裂特征如图5所示。辐射区的断裂区域相对较大，占整个断裂面积的70%~80%，其显微特征为典型的脆性解理断裂。断裂周围是末次断裂的剪切唇区，其显微特征为大量撕裂韧窝（图6）。

4. 金相检验

（1）非金属夹杂物 对断裂面进行研磨抛光后，制作金相试样，并在光学显微镜下观察，根据GB/T10561-2005标准等级表对钢中的非金属夹杂物进行分级。断裂螺栓钢中的非金属夹杂物如图7所示。断裂螺栓钢中表面层和芯部的非金属夹杂物没有显著差异。D型环状氧化物夹杂物的等级约为粗大D2～D2.5级。

（2）螺栓表面和芯部的金相组织 用3%硝酸醇溶液腐蚀后，采用光学显微镜和扫描电子显微镜观察分析断裂螺栓的金相组织。腐蚀螺栓杆部横截面试样后，在光学显微镜下观察螺栓表面层的金相组织，如图8所示，为细小均匀的回火索氏体组织。距表面约15mm处，局部区域存在较多的点状和小块状铁素体组织，沿晶粒方向分布有暗黑色组织，并有未完全硬化的痕迹，浅灰色区域较小且均匀，仍保留有针状马氏体形貌特征的回火索氏体组织。

图9显示了螺栓芯部的金相组织。从图9可以看出，螺栓芯部的金相组织不均匀，存在许多点状和小块状铁素体，以及条状或针状的魏氏组织特征。在扫描电镜下，螺栓表面的金相组织为正常的、均匀的针状索氏体组织（图10）。螺栓中心的细小铁素体呈黑色（在金相显微镜下呈白色），其金相组织也大多呈板条状，局部可见针状特征（图11）。

5. 硬度测试

采用 HR-150A 洛氏硬度计对螺栓断裂截面进行硬度测试，螺栓表面到芯部的硬度测试结果如表 2 所示。从表 2 可以看出，表面硬度为 35.1-38.3 HRC，芯部硬度为 35.4-37.7 HRC。

6. 分析与讨论

对断裂螺栓的断口分析表明，断裂源位于螺栓中心，断裂类型为沿晶或沿晶+局部穿晶解理断裂。断裂源区域尺寸为400-550μm，韧窝特征不明显，属于异常断裂。断裂的径向区域较大，占整个断裂面积的70%～80%，具有明显的径向条纹，是裂纹快速扩展区域，属于典型的脆性解理断裂。

螺栓安装时，在拉伸载荷的作用下，由于芯部沿晶粒方向的脆性断裂导致裂纹快速扩展，从而引起脆性断裂。高强度螺栓经过淬火回火处理，强度和韧性匹配良好。螺栓最终断裂区存在剪切唇，但中心区域的晶间断裂表明晶界强度较低，这是由于组织缺陷造成的。

螺栓断裂面的金相组织分析表明：表面金相组织为均匀的回火索氏体，距表面约12～15 mm处组织分布不均匀，沿晶粒方向可见少量点状、小块状铁素体和暗黑色组织（具有不完全淬硬的特征）。处理加热不足的问题。螺栓在网带炉中淬火加热时，由于炉内负荷大、网带运行速度快，导致螺栓加热不足，芯部奥氏体化不充分且不均匀，造成螺栓不完全淬硬。金相分析表明，距表面12～15 mm处出现点状和小块状铁素体组织，说明螺栓芯部未完全淬硬。高温回火处理会掩盖淬火不完全的真相。应采用经验方法测量螺栓淬火状态下芯部的硬度。 5. 若淬火和加热不充分，高强度螺栓的表面硬度可达到36-38 HRC的技术要求，并满足GB/T 3098.1-2010《紧固件力学性能——螺栓、螺钉和螺柱》中10.9级的强度要求。当螺栓组织中非马氏体含量较大时，螺栓的强度和韧性会降低，但不会在螺栓芯的断裂源区引起异常的沿晶断裂。

结论与建议。螺栓杆早期断裂发生在螺栓安装过程中，属于异常脆性断裂。断裂源区的晶间断裂和解理断裂主要是由螺栓热轧原料的组织缺陷造成的。螺栓中心存在少量细小铁素体，晶间分布呈暗黑色，表明螺栓在热处理过程中加热不足，但这并非螺栓脆性断裂的主要原因。2. 螺栓淬火和加热不足的原因可能与网带炉装料量过大、网带运行速度过快、螺栓装料不均匀等因素有关。建议在每批螺栓热处理过程中，每班随机抽取一个淬火螺栓进行检查，并取杆体横截面试样，每隔3～4 mm测量其表面到芯部的硬度变化。同时，应通过金相检验分析硬化情况，确保高强度螺栓芯部组织马氏体含量达到90%左右。3.螺栓B7钢的物理冶金质量一般，未发现非金属夹杂物等严重缺陷。加强对螺栓B7钢热轧原料组织的来料检验，分析其带状组织和热处理不良造成的缺陷组织。通过工艺试验，确定合理的热处理工艺。