不鏽鋼（gāng）螺栓斷（duàn）裂（liè），熱處（chù）理工藝不當難逃幹係（xì）

來源：博美不鏽鋼製品  作者：博美不鏽鋼製品  瀏覽次數：533

S43100不鏽鋼是引進於（yú）ASTM標準中的材（cái）料，是（shì）一種馬氏體-鐵素體型不鏽鋼（gāng），其特點是在保留鐵素體不鏽鋼耐蝕性的同時，又具有馬氏體不鏽鋼的高強度，在工業上應用廣泛（fàn）。一般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等（děng），但由於材料在海水（shuǐ）環境中的耐蝕性不如S43100不鏽鋼，因此在（zài）海水環境中的螺栓首選材料改為S43100不鏽鋼，但是S43100不鏽鋼的熱處理工藝製度非常嚴格，極易引起腐蝕脆裂。本文以斷裂的S43100不鏽鋼螺栓為研究對象，分析造成螺栓斷裂的原因。

1.斷裂情況

某項目（mù）斷裂的S43100 不鏽鋼螺栓為電渣重熔生產的鍛造棒料，規（guī）格為φ40mm×300mm ，其化學成分：w C =0.137% 、w Mn =0.15% 、w Si =0.58% 、w S =0.006% 、w P =0.024% 、w Cr =16.88% 、w Ni =2.32% 。螺栓的（de）熱處理工藝為淬火（huǒ）：1020 ℃保溫後油（yóu）冷至200 ℃以下出爐空冷至室溫，回火：530 ℃保溫後空冷至室溫。然後將試（shì）樣加工成標距為30mm 、平行部（bù）分直徑6mm 的棒狀拉（lā）伸試樣，並在RSA250 萬能試驗機上按照GB/T 228 —2002 《金屬材料室溫拉伸試（shì）驗方法》進行（háng）常溫拉伸試驗（yàn），其實測的力學性能與標準技術要求如表1 所示（shì）。

表1 S43100不鏽（xiù）鋼力學性能

實際產品斷裂的雙頭螺栓（shuān），如圖1所示，其斷裂部位位於螺（luó）杆與帶螺紋的（de）螺栓頭聯（lián）接處。

圖1 斷裂螺（luó）栓（shuān）照片

2.斷裂原因分析

該斷裂螺栓斷口清洗前，整個斷麵無明（míng）顯（xiǎn）的剪切唇，螺栓斷口上存在較厚（hòu）腐蝕（shí）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（biǎo）明實際服役環境中含Cl - 等侵（qīn）蝕性（xìng）離子。

經過酸洗和用毛刷去除腐蝕產物後的斷（duàn）口形貌如圖2所示。采用掃描電子顯微鏡對去（qù）除腐蝕產物後的斷口的微觀特征（zhēng）進（jìn）行了觀（guān）察，結果表（biǎo）明，斷裂螺栓斷口呈現（xiàn）典型的沿晶斷裂特征，斷口呈現冰糖狀特征（zhēng）。

圖2 斷裂螺栓斷口形貌

圖3為S43100不鏽鋼熱處（chù）理後掃描電鏡SEM照片（piàn）。由圖3可知，熱（rè）處理後（hòu）的S43100不鏽（xiù）鋼（gāng）以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素體，並且晶內和晶界彌散分布大量（liàng）的（de）碳化物且連續分布。

（a）

（b）

圖3 S43100不鏽鋼熱處理（lǐ）後的SEM照片

另取3 件螺栓，將（jiāng）其加工成標距為35mm 、平行（háng）部分直徑5mm 的棒狀拉伸試樣，以應變速率為1.0 ×10 -6 s -1 ，在（zài）慢應變（biàn）速率拉伸應力腐蝕試驗機上按（àn）照標準（zhǔn）GB/T15970.7 —2000 《金屬和合金的（de）腐蝕應（yīng）力腐（fǔ）蝕試驗（yàn）第7 部分：慢應變速率試驗》進行應力腐蝕敏感性測試，其慢（màn）拉（lā）伸試驗（SSRT）結（jié）果列於（yú）表2。通常應力腐蝕敏感性位於0~1 之間，該值越大，材料的應（yīng）力腐（fǔ）蝕敏感性就越高，由表2 可以看出，經過調質處理後的S43100 不鏽鋼均有不同程度的損失，而且離（lí）散型很大，其中試樣6的應力腐蝕敏感性最大，達到0.44 。

表2 S43100不鏽鋼慢（màn）拉伸試驗（yàn）結（jié）果

圖4為試樣4經慢應變速率試驗（yàn）後的斷口和（hé）截麵（miàn）形貌。由圖4可知斷裂方式為脆性斷裂，沒有明顯（xiǎn）的塑性變（biàn）形，呈（chéng）沿晶（jīng）斷裂（liè）斷口特征，截（jié）麵形貌觀（guān）察表明試樣的裂（liè）紋沿著晶界擴展，表明其斷裂屬性為應力腐蝕開裂。

（a）斷口

（b）截麵

圖4 S43100不鏽（xiù）鋼SSRT試（shì）驗後的斷（duàn）口和截（jié）麵形貌

S43100不鏽鋼需（xū）要經過熱處（chù）理才能得到相應的力學性能，但（dàn）是此鋼在530℃左（zuǒ）右（yòu）回火時，晶界上析出大量的含Cr碳化物（wù），從而形成貧Cr區，從而降低了材料的耐蝕性。

3.改進措施

以往的S43100不鏽鋼螺栓技術要求的（de）屈服（fú）強度為833MPa，但是近來國外壓縮（suō）機使（shǐ）用此材料螺栓時已經改為采用屈服（fú）強度為686MPa。鑒於S43100不鏽鋼在530℃附近有大量的含Cr碳化物析（xī）出，降低材料的耐蝕（shí）性，根據國外經驗和以上的檢驗（yàn）結（jié）果，將S43100不鏽鋼螺栓的回（huí）火溫度改（gǎi）為600℃。

另取同批螺栓鍛件6件，對其進行淬火：1020℃保溫後油冷至200℃以下出爐空冷至室溫，回火（huǒ）：600℃保（bǎo）溫後空冷至室溫的熱處（chù）理工藝，取其中3件試樣（yàng）進行力學（xué）性能檢測，其結果為：試樣7屈服強度806MPa、試樣（yàng）8屈服強度811MPa和試樣9屈服強度794MPa。將剩餘3件試樣（yàng）進行應力腐蝕敏（mǐn）感性檢驗，其（qí）慢拉伸試驗（SSRT）結果均為0，說明此時S43100不鏽鋼的應力腐蝕敏（mǐn）感性很小，然後對編號為8的試樣進行斷口掃描（miáo）檢驗，如圖5所示，無明顯腐蝕（shí）斷裂情況出現。

（a）斷口

（b）截麵

圖5 S43100不鏽鋼熱處理（lǐ）改善後的SSRT試驗斷（duàn）口和截麵形貌

4.結語

（1）熱（rè）處理後的S43100不鏽鋼以索氏體為（wéi）主，均布著呈塊狀的鐵（tiě）素體，並且晶內和晶界彌散分（fèn）布大量的碳化物且連續分布。

（2）斷裂的S43100不鏽（xiù）鋼螺栓斷口為典型的沿晶（jīng）斷裂特（tè）征。

（3）S43100不鏽鋼在530℃左右回火（huǒ）時，晶界（jiè）上析出大量的含（hán）Cr碳化物，從（cóng）而形成貧Cr區，從而降低了材料的耐蝕性。