不鏽鋼螺栓斷裂（liè），熱處理工藝不當難（nán）逃幹係

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S43100不鏽鋼是引進於ASTM標準中的材料，是一種馬氏體-鐵素（sù）體型不鏽鋼，其特點是在保留鐵素體不鏽鋼耐蝕性的（de）同時，又具有馬氏體不鏽鋼（gāng）的高強度，在工業上應用廣泛。一（yī）般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由於材料在海水環境中的耐蝕（shí）性不如S43100不鏽鋼，因此在海水環境中的螺栓首選材料改為S43100不鏽鋼，但（dàn）是（shì）S43100不鏽鋼的熱處理工（gōng）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（zào）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，規格為（wéi）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% 。螺栓的熱處理工藝為淬（cuì）火：1020 ℃保（bǎo）溫後油冷至200 ℃以下出爐空（kōng）冷至室溫，回火：530 ℃保溫後空冷至室溫。然後將試樣加工成標距為30mm 、平行部分直徑6mm 的（de）棒狀拉（lā）伸試樣，並在RSA250 萬能試驗機上按（àn）照GB/T 228 —2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進（jìn）行（háng）常溫拉伸試驗（yàn），其實測的力學性能（néng）與標準技術要求如表1 所示。

表1 S43100不鏽鋼力學性能

實際產品斷裂的雙頭（tóu）螺栓，如圖1所示，其斷裂部位位於螺（luó）杆與帶螺（luó）紋的螺栓頭（tóu）聯接處。

圖1 斷裂螺栓照片

2.斷裂原因分析

該斷裂（liè）螺栓斷口清洗前，整個斷麵無明顯的剪切唇，螺（luó）栓斷口上存在較（jiào）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（hé）Cl 元（yuán）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（qù）除腐蝕產物後的斷口形貌（mào）如（rú）圖2所示。采用掃描電（diàn）子（zǐ）顯微鏡對去除腐蝕產物後（hòu）的斷口的微觀特（tè）征進行（háng）了觀察，結果表明，斷裂（liè）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2 斷裂螺栓斷口形貌

圖3為S43100不鏽鋼熱處理後掃描電鏡SEM照（zhào）片（piàn）。由圖3可知，熱處理後的（de）S43100不鏽鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀（zhuàng）的鐵素體，並且（qiě）晶（jīng）內和晶界彌散分布大量的碳化物且連續分（fèn）布。

（a）

（b）

圖3 S43100不鏽鋼熱處理後（hòu）的SEM照片

另取3 件螺栓，將其加工成標距為35mm 、平行部分直（zhí）徑5mm 的（de）棒狀拉伸試樣，以應變速率為1.0 ×10 -6 s -1 ，在慢應（yīng）變速率拉伸應力腐蝕試驗機上（shàng）按照標準GB/T15970.7 —2000 《金屬（shǔ）和合金的腐蝕應力腐蝕（shí）試驗第7 部分：慢應變（biàn）速率試驗》進行應力腐蝕敏感性測試，其慢拉伸試驗（SSRT）結果列於表2。通常應（yīng）力腐蝕敏感性位於0~1 之（zhī）間（jiān），該值越（yuè）大，材料的應力腐蝕敏感性就越高，由表2 可以看出，經過（guò）調質處理後的S43100 不鏽鋼均有不同程度的損失，而且離散（sàn）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（bú）鏽鋼（gāng）慢拉伸試驗結果

圖4為試樣4經慢應變（biàn）速率試驗後的斷口和截麵形貌（mào）。由圖（tú）4可知斷（duàn）裂方式為脆性（xìng）斷裂，沒有明顯（xiǎn）的塑（sù）性變形，呈沿晶斷裂斷口特征，截麵形貌觀察表明試樣（yàng）的裂紋沿著晶（jīng）界擴（kuò）展，表明其斷裂屬性為應力腐（fǔ）蝕（shí）開裂。

（a）斷（duàn）口

（b）截麵

圖4 S43100不鏽鋼SSRT試驗後的斷口和截麵形貌

S43100不鏽鋼需要經過熱處理才（cái）能得（dé）到相應的力學性能，但是此鋼在530℃左右回火時，晶界上析（xī）出大量的含Cr碳化物，從而形成貧Cr區，從而降（jiàng）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（qū）服強度為833MPa，但是近來國外壓縮機使用此材料螺栓（shuān）時已經改為采用屈服強度為686MPa。鑒於S43100不鏽鋼在530℃附（fù）近有大量的含Cr碳（tàn）化物析出，降低材料的耐（nài）蝕性，根據（jù）國外經驗和（hé）以上的檢驗結果，將（jiāng）S43100不鏽鋼螺栓（shuān）的回火溫度改為600℃。

另取（qǔ）同批（pī）螺栓（shuān）鍛件6件，對其進行淬火：1020℃保溫後油冷至200℃以下出（chū）爐（lú）空冷至室溫，回火：600℃保溫後空冷（lěng）至室溫的熱處理工藝（yì），取其中3件（jiàn）試樣進行力學性（xìng）能檢測（cè），其結果為：試樣7屈服強度806MPa、試樣8屈（qū）服強度811MPa和試（shì）樣（yàng）9屈服強度794MPa。將剩餘3件試（shì）樣進行應力腐蝕敏感（gǎn）性檢驗，其慢拉伸試驗（SSRT）結果均為0，說明此時S43100不鏽鋼（gāng）的應力腐蝕敏感性很小，然後對編號為8的試樣進行斷口掃描檢驗，如圖5所（suǒ）示，無明顯腐蝕（shí）斷裂情況出現。

（a）斷口

（b）截麵

圖5 S43100不鏽鋼熱處理改善後（hòu）的SSRT試驗斷口和（hé）截麵形貌

4.結（jié）語

（1）熱處理後的S43100不（bú）鏽鋼（gāng）以索氏體為主，均（jun1）布著呈塊狀（zhuàng）的鐵素體，並且晶內（nèi）和晶界彌散分布大量的碳（tàn）化物且連續分（fèn）布。

（2）斷裂的S43100不鏽鋼螺栓斷口為典型的沿晶斷裂特征。

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