某螺栓斷裂原因分析

李冀

（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，武漢430084）

某螺栓斷裂原因分析

李冀

（海軍駐武漢四六一廠軍事代表室，武漢430084）

文中針對某裝置緊固螺栓出現斷裂的情況，著重介紹了螺栓檢測分析的具體過程，得出了斷裂原因的初步結論。

螺栓；斷裂；分析

0 引言

某裝置螺栓緊固結構如圖 1所示，其材料為0Cr17Ni4Cu4Nb，退火狀態交貨，螺栓采用圓鋼棒材直接車制。熱處理工藝為：1040℃/h空冷+580℃/4h時效，硬度控制31～35HRC，緊固處有銅合金墊片，螺栓頭部與鈦合金部件接觸，螺母為TC4材質。整個結構浸泡在海水中。整個裝置共有該種螺栓24件，共斷裂6件，為了弄清斷裂原因，對螺栓進行了檢測與分析。

圖1 螺栓與緊固結構圖

1 檢測與分析

從螺栓端面上看，斷面平齊，無明顯塑性變形，斷口銹蝕嚴重，微觀形貌主要呈沿晶斷裂特征。從上述特征基本可以斷定螺栓斷裂是脆性斷裂。產生脆性斷裂的原因很多，諸如低溫脆性、回火脆性及應力腐蝕斷裂等等，其中應力腐蝕斷裂又可分為陽極溶解斷裂和氫致延遲斷裂。為了找出斷裂的根本原因，對螺栓進行如下分析。

1.1 化學成分分析

分析螺栓的化學成分，所得結果如表1、表2所示。

表1 螺栓材料的化學成分質量分數 %

表2 螺栓材料的氣體含量

從結果可知，工件的化學成分符合標準要求。

1.2 金相組織和低倍檢驗分析

在螺栓上取試樣進行了金相組織分析，其固溶態組織為板條狀馬氏體、少量鐵素體和殘余奧氏體，時效處理后沉淀析出富銅相，殘余奧氏體經X射線定量分析為27%和22%。晶粒度為8級，晶粒比較細致。

低倍組織評級結果見表3，且未發現白亮帶、殘余縮孔、白點、軸心晶間裂紋、內部氣泡、非金屬夾雜物及夾渣、異金屬夾雜物等缺陷。

1.3 力學性能測試

力學性能測試采用螺栓縱向取樣，由于尺寸限制，只能采用小試樣（M12×φ6）進行試驗，試驗結果如表4所示。

表3 低倍組織缺陷

表4 力學性能測試

可見，螺栓的力學性能是滿足要求的。

1.4 電偶腐蝕、點蝕和縫隙腐蝕性能測試

1.4.1 電偶腐蝕

兩種金屬相連接并暴露在海洋環境中時，通常電位較負的金屬會產生腐蝕，侵蝕程度取決于兩種金屬在海水中電位的相對位置，螺栓的緊固結構如圖1所示，螺栓本體與鈦合金緊密接觸于海水中，有可能產生電偶腐蝕，根據電位排列［1］，X17不銹鋼（鈍化態）EH=+0.10 V，鈦EH=+0.15 V，這兩種金屬相連時，X17不銹鋼較鈦金屬電位為負，那么螺栓作為陽極，將受到腐蝕，但兩者間的電位差僅為0.05 V，所以應該并非腐蝕的主要原因。

1.4.2 點腐蝕分析

使用ASTM G48-3中方法A進行試驗。

試驗介質為6%的FeCl3溶液，試驗溫度為22±2℃。

圖2 點腐蝕試驗后正反面形態

螺栓螺桿位置取樣 3件進行72 h點蝕試驗，圖2為試樣表面的腐蝕形貌，可以看出1#～3#試樣均發生了明顯的點蝕現象，點蝕結果如表5所示。

表5 點蝕結果表

通過點蝕試驗可以看出，在22℃左右時，螺栓試樣的點腐蝕非常嚴重，點蝕深度較深。

1.4.3 縫隙腐蝕試驗分析

從圖3中發現的螺栓上的腐蝕坑都出現在螺栓與鈦合金接觸部位即兩種材料的縫隙部位，從文獻可知，與之相似的316不銹鋼產生縫隙腐蝕的溫度為0℃左右，而0Cr17Ni4Cu4Nb的PRE（點蝕系數）=Cr%+3.3Mo%+30N%，為17，比316奧氏體不銹鋼的PRE=17+3.3×2=23.6低，因此0Cr17Ni4Cu4Nb的PRE比316鋼要小，出現縫隙腐蝕的溫度更低，即在海水中極易出現縫隙腐蝕，在螺栓螺桿部位取樣進行縫隙腐蝕試驗的結果如表6所示。

圖3 腐蝕試驗后試樣的表面形貌

表6 縫隙腐蝕結果

從縫隙腐蝕試樣上看，在發生縫隙腐蝕的同時，點蝕現象也非常明顯，可見在該條件下，0Cr17Ni4Cu4Nb鋼有明顯的點腐蝕和縫隙腐蝕現象。

1.5 螺紋斷口分析

從螺栓螺紋處取樣，一半取在螺紋上，一半取在螺紋桿部的機體上，進行斷口分析，然后從螺紋底部折斷，斷口的形狀如圖4所示，從圖中可以看出，螺紋底部有明顯機械加工刀紋，斷口呈典型的沿晶脆性斷裂。斷口表面出現明細的腐蝕形貌，說明試樣在折斷前已經發生了明顯的腐蝕擴展。斷口上能看到晶粒表面腐蝕的形貌，圖5為斷口能譜分析，斷口表面有4.85%的氧含量，應該是腐蝕所產生的，從機械性能上看，延伸率19%，沖擊功120J，正常情況下，不能用手折斷，且斷口不可能為脆性。綜合以上分析，在螺紋根部已經產生了明顯的應力腐蝕裂紋。

圖4 螺栓部分斷口形貌

2 原因分析

圖5 掃描斷口的能譜分析

該批螺栓所用棒材，化學成分符合標準GB/T1220-1992要求，力學性能符合標準中580℃/4h時效的力學性能要求，相對低溫回火（480℃）強度低了300 MPa，雖然0Cr17Ni4Cu4Nb鍛造溫度區間較窄，1 000℃以下容易發生鍛造開裂，但在低倍組織中未出現任何缺陷，說明冶煉和鍛造工藝是適宜的。實測沖擊功在120 J左右，沖擊韌性相當高，因此回火脆性的可能性也不高。

產生應力腐蝕開裂的基本條件是拉應力、腐蝕介質和敏感的金屬材料，三者缺一不可。螺栓結構采用人工預緊，平均拉應力應在80 MPa左右，在螺栓R角處應力集中系數k=2.1，即螺栓應力集中大約為168 MPa；同時，螺栓浸泡在海水中，同樣產生腐蝕開裂的的應力要比材料屈服強度低得多，應力腐蝕開裂源頭是確定SCC的基本特征，螺栓和鈦合金可能存在縫隙腐蝕，在拉應力和海水介質作用下緩慢擴展，最后失穩快速斷裂。SCC可分為陽極溶解和氫致延遲斷裂，從螺栓樣的定氫分析可知，該批螺栓的開裂機理不屬于氫致延遲斷裂，而屬于陽極溶解。

在螺栓、螺母和工件之間形成了一定縫隙，相互接觸位置都將形成0.025～0.1 mm的縫隙，雖然在安裝后將進行油漆防護，但在鈦合金工件內部的螺栓部分較難得到防護，而螺栓根部R處也是很難進行油漆防護的位置，這些地方都是容易產生縫隙腐蝕的部位。

根據以上檢測結果和分析，推斷螺栓的斷裂是起源于縫隙腐蝕，進而在應力作用下形成了應力腐蝕開裂的裂紋源。

要避免螺栓再次斷裂，一方面要做好防護工作，使用油漆或其他防護方式隔離螺栓與部件接觸位置；一方面確定安裝力矩，盡量避免產生應力腐蝕的源頭；最后，通過改變冶煉方法盡量提高螺栓的純凈度，減少冶金缺陷。

［1］ 柯偉.腐蝕科學技術應用與失效案例［M］.北京：化學工業出版社，2006.

（編輯：立 明）

TH 131

A

1002－2333（2014）04－0086－02

李冀（1980—），男，工程師，碩士，從事船舶特輔機監造方面工作。

2014-02-13