閘閥壓蓋螺栓斷裂失效分析

劉佳鵬

摘 要：某化工廠聚丙烯車間一條閘閥壓蓋螺栓發生斷裂，采用宏觀檢驗、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗等試驗手段分析了該螺栓的斷裂原因。結果表明：斷裂是由于材料未經固溶處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未經充分溶解，合金化程度較差，長期使用中造成晶界附近的金屬貧鉻，且在腐蝕介質中發生電化學反應，從而在較小的外力作用下發生晶間腐蝕斷裂。

關鍵詞：螺栓 斷裂 晶間腐蝕 沿晶

中圖分類號：TG157 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0038-01

斷裂螺栓為某化工廠聚丙烯車間一條閘閥壓蓋螺栓，該螺栓使用溫度200 ℃，壓力1.8 MPa，介質為丙烯，該螺栓已在室外使用10年時間，使用時無振動。于2012年7月5日發現該螺栓斷裂，斷裂部位在螺栓中部光桿處。為查明該螺栓斷裂原因，筆者對斷裂的閘閥蓋螺栓進行了檢驗和分析。

1 宏觀檢驗

通過肉眼仔細觀察斷裂螺栓，發現該螺栓斷口為斜斷口，斷口表面較粗糙，斷口無明顯塑性變形和機械擦碰傷，屬宏觀脆性斷口[1]，表面被一層黃褐色產物覆蓋。

2 掃描電鏡及能譜分析

將螺栓斷口用超聲波設備清洗后置于掃描電鏡下觀察，發現斷口表面微觀形貌呈典型冰糖狀沿晶斷裂特征[2]，晶面平坦，有較強的立體感，見圖1。斷口表面局部區域存在明顯的腐蝕痕跡和腐蝕產物，晶粒表面存在明顯的臺級條紋。

采用能譜儀分別對螺栓斷口表面和縱向試樣裂紋內部的腐蝕產物進行半定量元素分析，兩個試樣內的腐蝕產物內都可見腐蝕性元素O、S等，分別見圖2。

3 金相檢驗

將螺栓采用機械加工的方法制成微觀金相試塊，將螺栓試樣經王水侵蝕后觀察，顯微組織為等軸奧氏體，靠近斷裂面的晶粒已經彼此分開，具有腐蝕特征。同時可以見到晶界上和晶粒內上分布著密集細小的碳化物，見圖3。

4 討論

通過以上對螺栓的綜合分析：該螺栓晶界上和晶界內分布有細小的碳化物顆粒；斷裂面具有明顯的沿晶斷裂特征；斷口表面存在明顯的腐蝕痕跡和腐蝕產物；腐蝕產物中含有較高水平的氧、硫等強腐蝕性元素，可以認為該螺栓斷裂為晶間腐蝕斷裂。

晶間腐蝕的機理是貧鉻理論[3]，金相檢驗發現大量未溶碳化物，并沿晶界呈網狀分布，說明該材料未經固溶處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未經充分溶解，合金化程度較差[4]，而且，熱處理溫度低，鉻擴散速度減慢，碳化鉻沉淀加快，更加速了貧鉻區的形成，同時，沿晶界分布的碳化鉻會加劇晶界貧鉻，如果鉻含量降到12%（鈍化所需極限鉻含量）以下，貧鉻區處于活化狀態，則附近地區的金屬中貧鉻而成為小陽極，而含鉻較高的晶粒本體成為大陽極，在存在電解質的情況下，則構成了電化學腐蝕的有利條件，從而造成嚴重的晶間腐蝕現象。

5 結論

綜合以上分析認為，閘閥壓蓋螺栓斷裂屬于晶間腐蝕斷裂。碳化物未充分溶解，并沿晶界呈網狀分布，造成晶界附近貧鉻，是產生晶間腐蝕的主要原因。

參考文獻

[1] 孫智，江利，應鵬展.失效分析基礎與應用[M].北京：機械工業出版社，2005：90-91.

[2] 孫茂才.金屬力學性能[M].哈爾濱：哈爾濱工業大學出版社，2005：83-84.

[3] 張寶宏，從文博，楊萍.金屬電化學腐蝕與防護[M].北京：化學工業出版社，2005：83-86.

[4] 陳惠芬.金屬學與熱處理[M].北京：冶金工業出版社，2009：254-255.