不銹鋼U形螺栓的斷裂原因

楊海濤

(同濟大學 材料科學與工程學院,上海 200092)

某不銹鋼U形螺栓使用約0.5 a(年)后發生斷裂。該螺栓材料為S30408不銹鋼，實際使用中表面涂有油漆保護。圖1為斷裂螺栓的宏觀形貌，圖1 a)可見斷裂位置位于U形螺栓的底部平直段，在螺栓其他位置也存在多處裂紋，圖1 b)可見一側斷口表面有明顯銹跡。為找出該U形螺栓的斷裂原因，對其進行了一系列檢驗和分析，以期類似事故不再發生。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

采用電感耦合等離子體發射光譜儀和碳硫儀對螺栓進行了化學成分分析，結果見表1。可見未斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號及化學成分》的成分要求，而斷裂螺栓的碳元素和硫元素均超標[1]。

表1 斷裂螺栓和未斷裂螺栓的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the fractured and unfractured bolts (mass fraction) %

1.2 硬度測試

在斷裂U形螺栓斷口附近位置取硬度試樣，采用顯微維氏硬度計進行測試，結果見表2。由表2可知，斷裂U形螺栓斷口附近的硬度平均值為241 HV0.3。GB/T 1220-2007《不銹鋼棒》中規定固溶處理后304不銹鋼原料棒的硬度應不大于200 HV0.3[2]，但奧氏體不銹鋼存在冷加工硬化現象，因此斷裂U形螺栓硬度偏高可能與此有關。

表2 斷裂螺栓的硬度測試結果Tab.2 Hardness test results of the fractured bolt HV0.3

1.3 拉伸試驗

在斷裂U形螺栓和未斷裂螺栓相同位置取拉伸試樣后進行拉伸試驗，結果見表3。可見斷裂螺栓的抗拉強度和屈服強度分別高達965 MPa和786 MPa，遠高于標準參考值[2]；其斷后伸長率僅為26.5%，未達到標準，這說明斷裂螺栓的強度過高且塑性和韌性較差。

表3 斷裂螺栓和未斷裂螺栓的拉伸試驗結果Tab.3 Tensile test results of the fractured and unfractured bolts

1.4 金相檢驗

分別在斷裂螺栓斷口附近和未斷裂螺栓相同位置取金相試樣，依次鑲嵌、磨拋、浸蝕和觀察，結果如圖2～圖5所示。由圖2可見斷裂螺栓的裂紋從表面向心部發展，裂紋分叉局部呈根須狀，主裂紋沿著晶界擴展(見圖3)，其附近也有較多沿晶擴展的二次裂紋，同時可見材料中存在大量的非金屬夾雜物，這說明該材料的冶金質量不高。由圖4可見裂紋處的顯微組織為奧氏體，裂紋處晶粒存在脫落，晶界呈黑粗的溝壑狀，這說明沿著晶界有大量的碳化物析出，存在明顯敏化現象，這可能與材料的碳含量過高有關。圖5為未斷裂螺栓的顯微組織形貌，可見其顯微組織為奧氏體，晶界上未發現明顯的析出碳化物。

圖2 斷裂螺栓的裂紋整體形貌Fig.2 Overall morphology of the crack of the fractured bolt

圖4 斷裂螺栓裂紋處的顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology on the crack of the fractured bolt

1.5 非金屬夾雜物測試

按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測量——標準評級圖顯微檢驗法》中的A法分別對斷裂和未斷裂螺栓進行非金屬夾雜物評定，結果見表4。可見斷裂和未斷裂螺栓的非金屬夾雜物含量差異不大，但是兩者的冶金質量都不高。

表4 非金屬夾雜物的評定結果Tab.4 Evaluation results of non-metallic inclusions 級

1.6 斷口分析

采用體式顯微鏡對斷裂螺栓的斷口形貌進行觀察,如圖6所示。可見斷口表面被一層鐵銹色腐蝕產物所覆蓋，但是斷口表面的貝殼狀紋路仍清晰可見，且該弧線從圖6中的左側向右擴展，因此判斷A區很可能為裂紋源。掃描電鏡(SEM)的觀察結果如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可知，斷口A區被一些腐蝕產物覆蓋，在裂紋擴展區主要呈現出沿晶斷裂特征，而C區靠近螺栓表面位置的微觀形貌為韌窩，因此該區域為最后瞬斷區。另外，在靠近斷口A區的螺栓表面發現了裂紋，進一步放大觀察發現裂紋內存在腐蝕產物或腐蝕殘留物。

圖6 斷裂螺栓的斷口宏觀形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

圖7 裂紋源區(A區)的微觀形貌Fig.7 Micro morphology of crack source zone (A zone)

圖8 裂紋擴展區(B區)的微觀形貌Fig.8 Micro morphology of crack propagation zone (B zone)

圖9 瞬斷區(C區)的微觀形貌Fig.9 Micro morphology of transient fault zone (C zone)

圖10 螺栓表面靠近A區處的裂紋形貌Fig.10 Morphology of the crack of bolt surface near zone A:a)overall morphology ;b)magnification morphology

1.7 能譜測試

為了進一步觀察和分析裂紋源處及附近表面的腐蝕產物成分，對靠近斷口A區的螺栓表面及附近區域進行了能譜(EDS)測試，測試位置如圖11所示，結果見表5。可見裂紋內腐蝕產物中存在較多的氯、硫元素，而在螺栓表面未發現氯元素。

表5 裂紋內及裂紋附近的EDS分析結果(質量分數)Tab.5 EDS analysis results in and near the crack (mass fraction) %

圖11 EDS分析位置Fig.11 EDS analysis locations

2 分析與討論

由化學成分分析結果可知，斷裂螺栓的碳元素和硫元素嚴重超標。奧氏體不銹鋼加工或使用過程中，在一定的溫度范圍下碳含量過高會容易形成高鉻的Cr23C6，造成局部貧鉻，使得材料的耐晶間腐蝕性下降，并會出現點蝕傾向；而硫元素超標也會降低其耐蝕性，這主要是因為在高溫下MnS或(Fe,Mn)S沿晶界析出，而MnS等易溶于酸性氯化物，常成為腐蝕源導致材料的耐點腐蝕和耐縫隙腐蝕性能顯著降低[3]。結合金相檢驗結果來看，浸蝕后該斷裂U形螺栓的晶界呈黑粗的溝壑狀，存在嚴重敏化現象，大量碳化物沿晶界析出，表明斷裂螺栓本身的耐腐蝕性能較差。

斷裂螺栓斷口附近的硬度為241 HV0.3，高于標準值；其抗拉強度和屈服強度都很高(抗拉強度為880 MPa，屈服強度為752 MPa)，屈強比高達85.5%，斷后伸長率顯著下降(僅為26.5%)，斷裂螺栓存在明顯的冷加工硬化現象。

宏觀觀察發現，螺栓斷口表面被一層鐵銹色腐蝕物所覆蓋，但貝殼狀紋路清晰可見，整個斷口呈現腐蝕疲勞特征，同時從貝殼狀紋路的弧度方向也可以判斷裂紋從圖6中的左側向右擴展(從斷口A區向C區擴展)。腐蝕疲勞是指循環應力與腐蝕介質聯合作用下所引起的疲勞斷裂，其主要影響因素有應力影響和腐蝕環境。該斷裂螺栓用于沿海城市的軌交隧道內，使用環境較為潮濕，且能譜發現螺栓表面除了存在氯、硫元素外還存在大量的鈉元素和少量鉀、鈣元素，這說明該螺栓處于較潮濕的腐蝕環境中，且該螺栓本身耐腐蝕性能較差，使得腐蝕較容易發生導致疲勞性能下降；另外軌交列車長時間運行時可能會有較大振動并產生周期的載荷，這會使得裂紋在產生后不斷擴展直至最終斷裂。

采用掃描電鏡對斷口裂紋源、裂紋擴展區和最后瞬斷區進行微觀觀察，發現斷口主要為沿晶脆性斷裂形貌，裂紋源(斷口A區)附近的螺栓表面存在裂紋，裂紋內含有較多氯、硫等腐蝕性元素，未發現明顯點蝕坑，且斷口附近未貫穿的裂紋存在分叉，局部呈根須狀，主裂紋和二次裂紋均沿著晶界擴展，因此判斷該螺栓裂紋源區的開裂主要與應力腐蝕有關。應力腐蝕斷裂是指金屬材料在應力和腐蝕介質共同作用下發生的脆性斷裂的現象，腐蝕環境和應力兩者缺一不可，相互促進裂紋的生成和擴展。應力腐蝕開裂的主要影響因素有：應力影響、腐蝕介質影響等。從應力影響的因素考慮，該斷裂螺栓本身由于冷加工硬化產生的殘余應力很大，再加上工作時的外應力，當多種應力疊加達到一定限值后，這為應力腐蝕開裂提供了必要條件。從腐蝕介質影響的因素考慮，該U形螺栓用于沿海城市，屬于海洋氣候，且在疲勞源附近的裂紋內發現了較多的氯元素，因此可認為Cl-和海洋氣候為該U形螺栓提供了特定的腐蝕條件。綜合以上分析，螺栓疲勞源處的開裂主要是由應力腐蝕導致的。

3 結論及建議

該U形螺栓的斷裂主要是由應力腐蝕導致的。該斷裂螺栓在冷加工硬化時產生了殘余應力，后又疊加了工作應力，再加上在潮濕的腐蝕環境下工作，最終發生了應力腐蝕開裂。

建議采用去應力退火等手段降低該零件的殘余壓力，使其拉伸性能和硬度處于合理范圍，消除冷加工硬化的影響。同時，加強原材料化學成分和冶金質量的控制。