不銹鋼螺栓斷裂原因分析

■ 陳煒，王冬穎，梁盈

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S43100不銹鋼是引進于ASTM標準中的材料，是一種馬氏體-鐵素體型不銹鋼，其特點是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時，又具有馬氏體不銹鋼的高強度，在工業上應用廣泛。一般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由于材料在海水環境中的耐蝕性不如S43100不銹鋼，因此在海水環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象，分析造成螺栓斷裂的原因。

1.斷裂情況

某項目斷裂的S43100不銹鋼螺栓為電渣重熔生產的鍛造棒料，規格為φ40mm×300mm，其化學成分：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距為30mm、平行部分直徑6mm的棒狀拉伸試樣，并在RSA250萬能試驗機上按照 GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進行常溫拉伸試驗，其實測的力學性能與標準技術要求如表1所示。

實際產品斷裂的雙頭螺栓，如圖1所示，其斷裂部位位于螺桿與帶螺紋的螺栓頭聯接處。

2.斷裂原因分析

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

經過酸洗和用毛刷去除腐蝕產物后的斷口形貌如圖2所示。采用掃描電子顯微鏡對去除腐蝕產物后的斷口的微觀特征進行了觀察，結果表明，斷裂螺栓斷口呈現典型的沿晶斷裂特征，斷口呈現冰糖狀特征。

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，并且晶內和晶界彌散分布大量的碳化物且連續分布。

表1 S43100不銹鋼力學性能

圖1 斷裂螺栓照片

另取3件螺栓，將其加工成標距為35mm、平行部分直徑5mm的棒狀拉伸試樣，以應變速率為1.0×10-6s-1，在慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗機上按照標準GB/T15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第7部分：慢應變速率試驗》進行應力腐蝕敏感性測試，其慢拉伸試驗（SSRT）結果列于表2。通常應力 腐蝕敏感性位于0~1之間，該值越大，材料的應力腐蝕敏感性就越高，由表2可以看出，經過調質處理后的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的應力腐蝕敏感性最大，達到0.44。

圖4為試樣4經慢應變速率試驗后的斷口和截面形貌。由圖4可知斷裂方式為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形，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展，表明其斷裂屬性為應力腐蝕開裂。

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

圖2 斷裂螺栓斷口形貌

3.改進措施

以往的S43100不銹鋼螺栓技術要求的屈服強度為833MPa，但是近來國外壓縮機使用此材料螺栓時已經改為采用屈服強度為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，根據國外經驗和以上的檢驗結果，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，對其進行淬火：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件試樣進行力學性能檢測，其結果為：試樣7屈服強度806MPa、試樣8屈服強度811MPa和試樣9屈服強度794MPa。將剩余3件試樣進行應力腐蝕敏感性檢驗，其慢拉伸試驗（SSRT）結果均為0，說明此時S43100不銹鋼的應力腐蝕敏感性很小，然后對編號為8的試樣進行斷口掃描檢驗，如圖5所示，無明顯腐蝕斷裂情況出現。

4.結語

（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，并且晶內和晶界彌散分布大量的碳化物且連續分布。

（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，晶界上析出大量的含Cr碳化物，形成貧Cr區，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不銹鋼慢拉伸試驗結果

圖4 S43100不銹鋼SSRT試驗后的斷口和截面形貌

圖5 S43100不銹鋼熱處理改善后的SSRT試驗斷口和截面形貌