不銹鋼螺栓斷裂原因分析

■ 陳煒，王冬穎，梁盈

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S43100不銹鋼是引進(jìn)于ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的材料，是一種馬氏體-鐵素體型不銹鋼，其特點(diǎn)是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時(shí)，又具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)度，在工業(yè)上應(yīng)用廣泛。一般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由于材料在海水環(huán)境中的耐蝕性不如S43100不銹鋼，因此在海水環(huán)境中的螺栓首選材料改為S43100不銹鋼，但是S43100不銹鋼的熱處理工藝制度非常嚴(yán)格，極易引起腐蝕脆裂。本文以斷裂的S43100不銹鋼螺栓為研究對(duì)象，分析造成螺栓斷裂的原因。

1.斷裂情況

某項(xiàng)目斷裂的S43100不銹鋼螺栓為電渣重熔生產(chǎn)的鍛造棒料，規(guī)格為φ40mm×300mm，其化學(xué)成分：wC=0.137%、wMn=0.15%、wSi=0.58%、wS=0.006%、wP=0.024%、wCr=16.88%、wNi=2.32%。螺栓的熱處理工藝為淬火：1020℃保溫后油冷至200℃以下出爐空冷至室溫，回火：530℃保溫后空冷至室溫。然后將試樣加工成標(biāo)距為30mm、平行部分直徑6mm的棒狀拉伸試樣，并在RSA250萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上按照 GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn)，其實(shí)測(cè)的力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求如表1所示。

實(shí)際產(chǎn)品斷裂的雙頭螺栓，如圖1所示，其斷裂部位位于螺桿與帶螺紋的螺栓頭聯(lián)接處。

2.斷裂原因分析

該斷裂螺栓斷口清洗前，整個(gè)斷面無(wú)明顯的剪切唇，螺栓斷口上存在較厚腐蝕產(chǎn)物。SEM/EDX元素分析表明腐蝕產(chǎn)物中主要含有 Fe、Cr、O、C和Cl元素，還含少量S、Si元素，表明實(shí)際服役環(huán)境中含Cl-等侵蝕性離子。

經(jīng)過(guò)酸洗和用毛刷去除腐蝕產(chǎn)物后的斷口形貌如圖2所示。采用掃描電子顯微鏡對(duì)去除腐蝕產(chǎn)物后的斷口的微觀特征進(jìn)行了觀察，結(jié)果表明，斷裂螺栓斷口呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂特征，斷口呈現(xiàn)冰糖狀特征。

圖3為S43100不銹鋼熱處理后掃描電鏡SEM照片。由圖3可知，熱處理后的S43100不銹鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素體，并且晶內(nèi)和晶界彌散分布大量的碳化物且連續(xù)分布。

表1 S43100不銹鋼力學(xué)性能

圖1 斷裂螺栓照片

另取3件螺栓，將其加工成標(biāo)距為35mm、平行部分直徑5mm的棒狀拉伸試樣，以應(yīng)變速率為1.0×10-6s-1，在慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分：慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性測(cè)試，其慢拉伸試驗(yàn)（SSRT）結(jié)果列于表2。通常應(yīng)力 腐蝕敏感性位于0~1之間，該值越大，材料的應(yīng)力腐蝕敏感性就越高，由表2可以看出，經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)處理后的S43100不銹鋼耐蝕性均有不同程度的損失，而且離散性很大，其中試樣6的應(yīng)力腐蝕敏感性最大，達(dá)到0.44。

圖4為試樣4經(jīng)慢應(yīng)變速率試驗(yàn)后的斷口和截面形貌。由圖4可知斷裂方式為脆性斷裂，沒(méi)有明顯的塑性變形，呈沿晶斷裂斷口特征，截面形貌觀察表明試樣的裂紋沿著晶界擴(kuò)展，表明其斷裂屬性為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

S43100不銹鋼需要經(jīng)過(guò)熱處理才能得到相應(yīng)的力學(xué)性能，但是此鋼在530℃左右回火時(shí)，晶界上析出大量的含Cr碳化物，形成貧Cr區(qū)，從而降低了材料的耐蝕性。

圖2 斷裂螺栓斷口形貌

3.改進(jìn)措施

以往的S43100不銹鋼螺栓技術(shù)要求的屈服強(qiáng)度為833MPa，但是近來(lái)國(guó)外壓縮機(jī)使用此材料螺栓時(shí)已經(jīng)改為采用屈服強(qiáng)度為686MPa。鑒于S43100不銹鋼在530℃附近有大量的含Cr碳化物析出，降低材料的耐蝕性，根據(jù)國(guó)外經(jīng)驗(yàn)和以上的檢驗(yàn)結(jié)果，將S43100不銹鋼螺栓的回火溫度改為600℃。

另取同批螺栓鍛件6件，對(duì)其進(jìn)行淬火：1020℃保溫后油冷至200℃以下出爐空冷至室溫，回火：600℃保溫后空冷至室溫的熱處理工藝，取其中3件試樣進(jìn)行力學(xué)性能檢測(cè)，其結(jié)果為：試樣7屈服強(qiáng)度806MPa、試樣8屈服強(qiáng)度811MPa和試樣9屈服強(qiáng)度794MPa。將剩余3件試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性檢驗(yàn)，其慢拉伸試驗(yàn)（SSRT）結(jié)果均為0，說(shuō)明此時(shí)S43100不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性很小，然后對(duì)編號(hào)為8的試樣進(jìn)行斷口掃描檢驗(yàn)，如圖5所示，無(wú)明顯腐蝕斷裂情況出現(xiàn)。

4.結(jié)語(yǔ)

（1）熱處理后的S43100不銹鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素體，并且晶內(nèi)和晶界彌散分布大量的碳化物且連續(xù)分布。

（2）斷裂的S43100不銹鋼螺栓斷口為典型的沿晶斷裂特征。

（3）S43100不銹鋼在530℃左右回火時(shí)，晶界上析出大量的含Cr碳化物，形成貧Cr區(qū)，從而降低了材料的耐蝕性。

圖3 S43100不銹鋼熱處理后的SEM照片

表2 S43100不銹鋼慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

圖4 S43100不銹鋼SSRT試驗(yàn)后的斷口和截面形貌

圖5 S43100不銹鋼熱處理改善后的SSRT試驗(yàn)斷口和截面形貌