, , ,

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 201804)

Hollo-Bolt單向螺栓套管肢斷裂原因分析

簡(jiǎn)小剛,謝學(xué)興,潘彩芳,王魯磊

(同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院, 上海 201804)

Hollo-Bolt進(jìn)口單向螺栓在預(yù)制件裝配式施工中容易發(fā)生套管肢剪切破壞失效的問(wèn)題。采用化學(xué)成分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、掃描電鏡觀察及中性鹽霧試驗(yàn)等方法，分析了Hollo-Bolt在承載試驗(yàn)過(guò)程中失效的原因。結(jié)果表明：Hollo-Bolt帶狹槽套管的選材較軟，且缺乏合理的熱處理工藝，其表面的鍍鋅防銹處理效果也不夠理想，使其強(qiáng)度降低，導(dǎo)致套管肢發(fā)生剪切破壞。最后據(jù)此提出了優(yōu)化方案。

Hollo-Bolt單向螺栓; 剪切破壞; 選材; 熱處理; 防銹處理

鋼結(jié)構(gòu)摩擦型高強(qiáng)螺栓連接副廣泛應(yīng)用于工業(yè)廠房、高層民用建筑及重型機(jī)械等領(lǐng)域。就目前普遍使用的高強(qiáng)螺栓連接副而言，工作人員需要同時(shí)在兩側(cè)作業(yè)，不能滿足一些特殊場(chǎng)合的緊固需求。比如建筑領(lǐng)域的方鋼管柱和H型鋼梁端板連接時(shí)，由于鋼管柱為封閉截面，無(wú)法實(shí)現(xiàn)雙面同時(shí)作業(yè)，只能進(jìn)行單側(cè)連接安裝[1]，然而目前國(guó)內(nèi)并無(wú)該類(lèi)成熟的單向鎖緊緊固件產(chǎn)品。英國(guó)Lindapter International公司研發(fā)生產(chǎn)的Hollo-Bolt為專(zhuān)門(mén)針對(duì)該類(lèi)場(chǎng)合的具有單向安裝功能的緊固件。其市場(chǎng)售價(jià)較高，這使其在我國(guó)的推廣使用受到限制。因此有必要對(duì)該產(chǎn)品進(jìn)行試驗(yàn)分析，為自主研發(fā)同類(lèi)產(chǎn)品積累參考經(jīng)驗(yàn)。

圖1 承載破壞失效的Hollo-Bolt外觀Fig.1 Appearance of the failure Hollo-Bolt after bearing damage

Hollo-Bolt進(jìn)口單向螺栓在預(yù)制件裝配式施工中容易發(fā)生套管肢剪切破壞失效。徐婷等[2]Hollo-Bolt螺栓進(jìn)行拉伸試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)：當(dāng)其抗拉承載力介于高強(qiáng)度螺栓拉斷承載力上下限值之間時(shí)，由套管肢撐開(kāi)形成的墊片就遭到了剪切破壞，從而使整個(gè)連接副失效。針對(duì)該問(wèn)題，筆者對(duì)承載拉伸試驗(yàn)中失效的Hollo-Bolt螺栓套管肢(圖1)進(jìn)行了一系列理化檢驗(yàn)及失效分析，尋找套管肢的斷裂原因并據(jù)此提出優(yōu)化方案，為相關(guān)研究與應(yīng)用提供參考。

1 Hollo-Bolt螺栓單向緊固原理

根據(jù)所提供的預(yù)拉力不同，Hollo-Bolt螺栓的組成部件有所差異。文中分析的是能提供3倍預(yù)拉力的Hollo-Bolt螺栓，其由5個(gè)部件組成，即8.8級(jí)的全螺紋螺桿、錐形螺母、墊圈、橡膠圈和帶狹槽的套管，見(jiàn)圖2。圖3為Hollo-Bolt螺栓安裝前后示意圖，其緊固原理為：通過(guò)旋轉(zhuǎn)六角螺栓頭，使得錐形螺母向帶狹槽的套管方向旋進(jìn)，逐漸撐開(kāi)帶狹槽的套管，最終使套管各分支緊靠在內(nèi)側(cè)螺栓孔壁上，形成“特制墊片”，起到緊固連接的功效。由其緊固原理不難發(fā)現(xiàn)，帶狹槽套管的材料性能對(duì)整個(gè)連接副起著至關(guān)重要的作用。

圖2 Hollo-Bolt組成部件示意圖Fig.2 Schematic diagram of Hollo-Bolt components

圖3 Hollo-Bolt安裝前后示意圖Fig.3 Schematic diagram of Hollo-Bolt before and after installation

2 理化檢驗(yàn)

2.1化學(xué)成分分析

對(duì)圖1圓圈所示套管肢試樣表面進(jìn)行打磨后，利用斯派克直讀式光譜儀對(duì)套管肢化學(xué)成分進(jìn)行分析，結(jié)果如表1所示?？梢?jiàn)其化學(xué)成分和國(guó)內(nèi)Q235鋼的相當(dāng)，為碳含量較低的碳素鋼，但硫元素含量較高，超過(guò)我國(guó)低碳鋼技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 700-2006[3]的要求。硫元素在一定程度上可改善鋼材的機(jī)加工

表1 套管肢化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Analysis results of chemical compositionsof the sleeve limbs (mass fraction) %

性能，但同時(shí)會(huì)弱化晶界，因此我國(guó)鋼材技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)一般要求將硫含量控制在0.035%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))以下。

2.2硬度測(cè)試

使用顯微維氏硬度計(jì)對(duì)套管肢試樣表面進(jìn)行硬度測(cè)試，套管肢表面的平均硬度僅為174 HV0.1(166 HB)。結(jié)果表明，該套管可能未進(jìn)行過(guò)任何熱處理，其硬度接近我國(guó)原材料供貨狀態(tài)的硬度180 HB。據(jù)此推測(cè)，該套管可能是由供貨狀態(tài)未經(jīng)合適熱處理的材料直接加工而成。

2.3金相檢驗(yàn)

使用電火花數(shù)控線切割機(jī)床對(duì)圖1圓圈中另一塊套管肢試塊進(jìn)行切割取樣，取樣尺寸為10 mm(長(zhǎng))×10 mm(寬)×5 mm(厚)。使用XQ-1型金相試樣鑲嵌機(jī)對(duì)小試塊進(jìn)行鑲嵌，再用不同級(jí)別的金相砂紙從粗到細(xì)進(jìn)行端面磨制，經(jīng)拋光及4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后，使用日本OLYMPUS金相顯微鏡觀察試樣的顯微組織并采集照片。

圖4 套管肢的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology of the sleeve limbs

圖4為Hollo-Bolt螺栓套管肢試塊的顯微組織形貌，可見(jiàn)其顯微組織主要由大量塊狀鐵素體和少量珠光體組成，放大500倍下晶界分明。結(jié)合硬度測(cè)試結(jié)果，可進(jìn)一步驗(yàn)證套管肢材料為含碳量較低的碳素鋼，且未進(jìn)行過(guò)任何熱處理，為供貨狀態(tài)的熱軋態(tài)組織結(jié)構(gòu)。

2.4掃描電鏡觀察

利用JEOL掃描電子顯微鏡對(duì)Hollo-Bolt套管肢斷口進(jìn)行了觀察，結(jié)果如圖5所示。圖5為套管肢狹槽邊緣起裂位置形貌，表明套管肢在承載力的作用下，產(chǎn)生了非常明顯的撕裂型單向滑移。圖6為套管肢斷面中心位置形貌，可見(jiàn)心部在瞬間斷裂過(guò)程中形成少量的韌窩特征。掃描電鏡觀察結(jié)果進(jìn)一步證明套管肢材料的塑性較好，強(qiáng)度不足。

圖5 套管肢狹槽起裂位置形貌Fig.5 Morphology of the crack initiation position of the slotted sleeve:a) at low magnification; b) at high magnification

圖6 套管肢斷口微觀形貌Fig.6 Micro morphology of the fracture surface of the sleeve limbs

2.5中性鹽霧試驗(yàn)

使用砂輪切割機(jī)，對(duì)圖1中未斷裂的兩片套管肢(表面鍍層保存較好)進(jìn)行切割取樣，使用FQY010A鹽浴腐蝕試驗(yàn)箱對(duì)試樣進(jìn)行中性鹽霧試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：試驗(yàn)溫度35 ℃；鹽水類(lèi)型為5%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))氯化鈉溶液；沉降速率為1～2 mL·(80 cm-2)·h-1；依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 10125-2012和GB/T 6461-2002。試驗(yàn)進(jìn)行了23 h后，試樣表面就出現(xiàn)了白銹，見(jiàn)圖7。試驗(yàn)結(jié)果表明，Hollo-Bolt螺栓表面鍍鋅層的防腐蝕性能效果較差，遠(yuǎn)沒(méi)有達(dá)到正常鍍鋅件的防腐蝕性能。加上套管肢表面的鍍鋅層很容易在螺栓孔內(nèi)壁的剪切力作用下被破壞殆盡，因此其實(shí)際的防腐蝕性能可能更差。

圖7 中性鹽霧試驗(yàn)前后Hollo-Bolt形貌Fig.7 Morphology of Hollo-Bolts before and after the neutral salt spray test:a) before the test; b) after the test

3 分析與討論

由以上理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：Hollo-Bolt的設(shè)計(jì)存在一定的缺陷，尤其在套管肢的選材和熱處理工藝方面嚴(yán)重欠缺，不能滿足我國(guó)預(yù)制式裝配件結(jié)構(gòu)梁的安裝需求；具體表現(xiàn)為螺栓選材較差，且未進(jìn)行過(guò)任何熱處理，綜合力學(xué)性能較差，表面鍍鋅處理質(zhì)量不佳，防腐蝕性能較差。由Hollo-Bolt的安裝緊固原理可知，當(dāng)螺栓開(kāi)始施加預(yù)緊力時(shí)，板件上預(yù)先開(kāi)好的螺栓內(nèi)孔壁邊角處就開(kāi)始對(duì)套管肢撐開(kāi)形成的“墊片”進(jìn)行剪切作用，隨著施加力的增強(qiáng)，該剪切作用逐步加強(qiáng)。此時(shí)螺栓內(nèi)孔壁邊角處與套管呈線接觸狀態(tài)，按照我國(guó)摩擦型高強(qiáng)度螺栓的試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)，M24 mm的8.8級(jí)螺栓預(yù)拉力設(shè)計(jì)值需達(dá)到175 kN以上[4]，而此時(shí)套管與螺栓內(nèi)孔壁邊角處接觸的壓力非常大。套圈沒(méi)有一定的強(qiáng)度設(shè)計(jì)，其抵抗變形的能力就遠(yuǎn)不能滿足螺栓內(nèi)孔壁邊角對(duì)它的剪切作用。在內(nèi)側(cè)螺栓孔壁持續(xù)的剪切力作用下，套管肢撐開(kāi)形成墊片，表面先產(chǎn)生了塑性滑移，隨后因強(qiáng)度嚴(yán)重不足，在狹槽折彎處開(kāi)始萌生裂紋，進(jìn)而斷裂失效。與此同時(shí)，與內(nèi)側(cè)螺栓孔壁接觸的表面鍍鋅層也在剪切過(guò)程中因材料塑性滑移而被破壞殆盡，此處鍍鋅層的防銹功能已消失。這樣的產(chǎn)品不僅無(wú)法二次使用，連一次使用都存在極大的安全隱患。因此，如若不改變現(xiàn)有的結(jié)構(gòu)模式，則應(yīng)更換套管材料，可選用中碳鋼，整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以增強(qiáng)其整體綜合力學(xué)性能；再配合表面熱處理技術(shù)增加套管的表面硬度，提高其耐磨性；與此同時(shí)，選用合適的表面防銹鍍鋅處理工藝以提升其力學(xué)穩(wěn)定性[5-6]。

4 結(jié)論及建議

Hollo-Bolt單向螺栓帶狹槽套管肢的選材較軟，熱處理工藝和表面鍍鋅防銹處理工藝嚴(yán)重欠缺，套管整體綜合力學(xué)性能和防腐蝕性能較差，從而導(dǎo)致套管容易發(fā)生剪切破壞，不能滿足我國(guó)預(yù)制式裝配件結(jié)構(gòu)梁的安裝需求。

在實(shí)際使用中，可選用中碳鋼作為套管肢的材料，整體進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理，以增強(qiáng)其綜合力學(xué)性能；配合表面熱處理技術(shù)增加套管的表面硬度，提高其耐磨性；再選用合適的表面防銹鍍鋅處理工藝，以提升其力學(xué)穩(wěn)定性。

[1] 簡(jiǎn)小剛,朱能炯,王偉,等.一種嵌套式單邊螺栓緊固件:CN103541982 A.2014.01.29[P]. 2014-01-29.

[2] 徐婷,王偉,陳以一.單邊螺栓連接性能試驗(yàn)報(bào)告(TJSLS-2015-03)[R].上海：同濟(jì)大學(xué)，2015.

[3] GB/T 700-2006 碳素結(jié)構(gòu)鋼[S].

[4] JGJ 82-2011 鋼結(jié)構(gòu)高強(qiáng)度螺栓連接技術(shù)規(guī)程[S].

[5] 王挺,李振華.鍍鋅螺釘斷裂分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2015,51(9):668-670.

[6] 楊曉,陳政龍,潘恒沛,等.40Cr鋼緊固螺栓斷裂原因分析[J].理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2016,52(12):903-905.

AnalysisonFractureReasonsofSleeveLimbsofHollo-BoltOne-WayBolts

JIANXiaogang,XIEXuexing,PANCaifang,WANGLulei

(College of Mechanic and Energy, Tongji University, Shanghai 201804, China)

Imported Hollo-Bolt one-way bolts were prone to shearing failure on position of the sleeve limbs during the prefabricated assembly construction. By means of chemical composition analysis, hardness testing, metallographic inspection, scanning electron microscopy observation and neutral salt spray test for the failure Hollo-Bolts, the reasons for failure during bearing test were analyzed. The results show that: the material of slotted sleeves of Hollo-Bolts was relatively soft and lack of reasonable heat treatment process, and the effect of galvanized anti-rust surface treatment was not ideal; as a result of it, the strength of the sleeves reduced, which led to the shear failure of sleeve limbs. Finally,the optimization proposals were put forward according to the reasons.

Hollo-Bolt one-way bolt; shearing failure; material selection; heat treatment; anti-rust treatment

10.11973/lhjy-wl201709015

2016-11-28

簡(jiǎn)小剛(1975-),男,副教授,博士,主要從事疲勞損傷與壽命設(shè)計(jì)等方面工作

謝學(xué)興(1983-),男，工程師，碩士，主要從事熱處理感應(yīng)淬火技術(shù)及機(jī)加工方面的工作,tianyi665650@163.com

TG115.2

：B

：1001-4012(2017)09-0679-04