閘閥壓蓋螺栓斷裂失效分析

劉佳鵬

摘 要：某化工廠聚丙烯車間一條閘閥壓蓋螺栓發(fā)生斷裂，采用宏觀檢驗、掃描電鏡及能譜分析、金相檢驗等試驗手段分析了該螺栓的斷裂原因。結(jié)果表明：斷裂是由于材料未經(jīng)固溶處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未經(jīng)充分溶解，合金化程度較差，長期使用中造成晶界附近的金屬貧鉻，且在腐蝕介質(zhì)中發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)，從而在較小的外力作用下發(fā)生晶間腐蝕斷裂。

關(guān)鍵詞：螺栓 斷裂 晶間腐蝕 沿晶

中圖分類號：TG157 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1674-098X（2015）02（b）-0038-01

斷裂螺栓為某化工廠聚丙烯車間一條閘閥壓蓋螺栓，該螺栓使用溫度200 ℃，壓力1.8 MPa，介質(zhì)為丙烯，該螺栓已在室外使用10年時間，使用時無振動。于2012年7月5日發(fā)現(xiàn)該螺栓斷裂，斷裂部位在螺栓中部光桿處。為查明該螺栓斷裂原因，筆者對斷裂的閘閥蓋螺栓進(jìn)行了檢驗和分析。

1 宏觀檢驗

通過肉眼仔細(xì)觀察斷裂螺栓，發(fā)現(xiàn)該螺栓斷口為斜斷口，斷口表面較粗糙，斷口無明顯塑性變形和機械擦碰傷，屬宏觀脆性斷口[1]，表面被一層黃褐色產(chǎn)物覆蓋。

2 掃描電鏡及能譜分析

將螺栓斷口用超聲波設(shè)備清洗后置于掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)斷口表面微觀形貌呈典型冰糖狀沿晶斷裂特征[2]，晶面平坦，有較強的立體感，見圖1。斷口表面局部區(qū)域存在明顯的腐蝕痕跡和腐蝕產(chǎn)物，晶粒表面存在明顯的臺級條紋。

采用能譜儀分別對螺栓斷口表面和縱向試樣裂紋內(nèi)部的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行半定量元素分析，兩個試樣內(nèi)的腐蝕產(chǎn)物內(nèi)都可見腐蝕性元素O、S等，分別見圖2。

3 金相檢驗

將螺栓采用機械加工的方法制成微觀金相試塊，將螺栓試樣經(jīng)王水侵蝕后觀察，顯微組織為等軸奧氏體，靠近斷裂面的晶粒已經(jīng)彼此分開，具有腐蝕特征。同時可以見到晶界上和晶粒內(nèi)上分布著密集細(xì)小的碳化物，見圖3。

4 討論

通過以上對螺栓的綜合分析：該螺栓晶界上和晶界內(nèi)分布有細(xì)小的碳化物顆粒；斷裂面具有明顯的沿晶斷裂特征；斷口表面存在明顯的腐蝕痕跡和腐蝕產(chǎn)物；腐蝕產(chǎn)物中含有較高水平的氧、硫等強腐蝕性元素，可以認(rèn)為該螺栓斷裂為晶間腐蝕斷裂。

晶間腐蝕的機理是貧鉻理論[3]，金相檢驗發(fā)現(xiàn)大量未溶碳化物，并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，說明該材料未經(jīng)固溶處理，或固溶處理溫度不高、時間較短，碳化物未經(jīng)充分溶解，合金化程度較差[4]，而且，熱處理溫度低，鉻擴散速度減慢，碳化鉻沉淀加快，更加速了貧鉻區(qū)的形成，同時，沿晶界分布的碳化鉻會加劇晶界貧鉻，如果鉻含量降到12%（鈍化所需極限鉻含量）以下，貧鉻區(qū)處于活化狀態(tài)，則附近地區(qū)的金屬中貧鉻而成為小陽極，而含鉻較高的晶粒本體成為大陽極，在存在電解質(zhì)的情況下，則構(gòu)成了電化學(xué)腐蝕的有利條件，從而造成嚴(yán)重的晶間腐蝕現(xiàn)象。

5 結(jié)論

綜合以上分析認(rèn)為，閘閥壓蓋螺栓斷裂屬于晶間腐蝕斷裂。碳化物未充分溶解，并沿晶界呈網(wǎng)狀分布，造成晶界附近貧鉻，是產(chǎn)生晶間腐蝕的主要原因。

參考文獻(xiàn)

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[4] 陳惠芬.金屬學(xué)與熱處理[M].北京：冶金工業(yè)出版社，2009：254-255.