1Cr17Ni2 不銹鋼拉桿斷裂失效分析

孟文華

（江蘇容大材料腐蝕檢驗(yàn)有限公司，江蘇 無錫 214000）

一使用在東北戶外的1Cr17Ni2 不銹鋼拉桿，生產(chǎn)方式為：機(jī)加工+熱處理（調(diào)質(zhì)處理），其工況主要承受拉力，無剪切力（見圖1，在使用9 年后斷裂，斷裂位置位于失效件桿部中間，為探究其失效原因，應(yīng)用液壓萬能試驗(yàn)機(jī)、材料顯微鏡、掃描電鏡、直讀光譜儀、硬度計(jì)等設(shè)備對(duì)斷裂螺栓進(jìn)行失效分析。

圖1 失效件使用工況示意圖

圖2 失效樣品

1 斷口分析

1.1 斷口宏觀形貌分析

斷口斷裂位置位于連桿桿部中間，周邊無明顯變形，有腐蝕，見圖2；整個(gè)斷口相對(duì)光滑，約有2/3 的面積布滿銹跡，從斷口宏觀上看，斷裂源有兩處，均位于連桿邊緣，斷裂源2 處依稀可辨金屬光澤，斷裂源1 處腐蝕程度深，肉眼無法辨清基體，可推斷，斷裂源1 處首先發(fā)生開裂。擴(kuò)展區(qū)橢圓形貝殼紋明顯，為疲勞輝紋[1]，瞬斷區(qū)位置靠近斷面中心，均表明失效件受載荷較大或材料較脆，見圖3。

圖3 斷口形貌示意圖

1.2 斷口微觀形貌分析

利用掃描電鏡，對(duì)斷口起源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)、瞬斷區(qū)觀察，發(fā)現(xiàn)失效樣品，斷裂源區(qū)布滿腐蝕產(chǎn)物，并且斷裂源區(qū)有應(yīng)力腐蝕特有的泥狀花樣特征見圖4 右圖所示。對(duì)腐蝕產(chǎn)物做能譜分析，其含有硫、氯腐蝕性元素，擴(kuò)展區(qū)疲勞輝紋和沿晶開裂，瞬斷區(qū)為為解理+沿晶，見圖4，材料斷裂是由于腐蝕引起的疲勞斷裂。

圖4 斷裂源1 區(qū)微觀形貌 左：100X 右：1000X

表1 斷裂源區(qū)元素含量表

表2 樣品成分檢測結(jié)果（wt%）

2 化學(xué)成分分析

對(duì)失效樣品取樣進(jìn)行成分分析，分析儀器為火花放電原子發(fā)射光譜。試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 11170-2008《不銹鋼多元素含量的測定火花放電原子發(fā)射光譜法（常規(guī)法）》，試驗(yàn)結(jié)果如表2所示，送檢樣品硅Si 元素成分高于標(biāo)準(zhǔn)GB/T 20878-2007 要求，硅雖然對(duì)提高鉻鋼抗氧化性能的作用很大，但過量的硅能使鋼的晶粒粗化和脆性傾向增大。

3 力學(xué)分析（拉伸試驗(yàn)）

選取連桿桿部一段，制成Φ10 圓棒試樣做拉伸試驗(yàn)，試驗(yàn)儀器為微機(jī)控制電子萬能試驗(yàn)機(jī)，試驗(yàn)參考標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn)第1 部分：室溫試驗(yàn)方法》，試驗(yàn)結(jié)果抗拉強(qiáng)度為1485MPa，客戶要求為大于1070MPa 小于1320MPa，送檢樣品抗拉強(qiáng)度遠(yuǎn)高于客戶要求。由此推斷，失效件強(qiáng)度偏高，脆性大。

4 硬度測試

根據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1 部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)要求，對(duì)失效樣品測試其維氏硬度，結(jié)果為444.4HV1，447.4HV1，448.9HV1，客戶并未提供要求，但從硬度值來看，失效件的硬度較高。

5 金相分析

沿失效樣品裂源處拋開，鑲嵌，磨拋，觀察裂源橫截面。

5.1 非金屬夾雜物分析

圖5 金相圖未腐蝕 左：50X 右：100X

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》，在斷面中間處發(fā)現(xiàn)長達(dá)2mm 的B 類氧化鋁夾雜及少量A 類夾雜見圖5，B 類夾雜物Al2O3 夾雜是難熔、高硬度的脆性夾雜物，端部尖銳，產(chǎn)生應(yīng)力集中。

5.2 顯微組織分析

根據(jù)GB/T 13298-2015《顯微組織檢驗(yàn)與評(píng)級(jí)》及GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評(píng)定方法》進(jìn)行顯微組織觀察，結(jié)果表明：組織為索氏體基體，其上分布有大量條帶狀高溫鐵素體，并且在晶間有明顯碳化物析出，此類碳化物會(huì)降低材料的韌性及抗腐性能。

圖6 失效樣品1 金相圖500X（腐蝕）左：100X 右：500X

6 綜合分析

拉桿端口上布滿腐蝕產(chǎn)物，并有應(yīng)力腐蝕特有的泥狀花樣，沿晶斷裂特征明顯，從以上分析結(jié)果可見，此拉桿的斷裂應(yīng)為腐蝕疲勞所致。構(gòu)件在長期的服役過程中處于拉應(yīng)力環(huán)境、同時(shí)其服役環(huán)境中含有硫、氯等腐蝕性介質(zhì)、同時(shí)高溫鐵素體的出現(xiàn)，導(dǎo)致鉻富集及貧鉻區(qū)出現(xiàn)，致使材料抗腐蝕性能降低脆性大，增加了失效件材料開裂敏感性，此三點(diǎn)滿足了產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的三個(gè)條件：材料敏感性、腐蝕環(huán)境和應(yīng)力條件[2]。

其次失效件含有大量的超尺寸B 類夾雜物，為拉桿疲勞源區(qū)的產(chǎn)生提供了條件。

7 結(jié)論與建議

拉桿的失效是應(yīng)為腐蝕疲勞所致，腐蝕元素為氯離子。同時(shí)材料中的大量的超尺寸B 類夾雜物，為拉桿疲勞源區(qū)的產(chǎn)生提供了條件。建議在冶金過程中應(yīng)嚴(yán)格控制B 類夾雜物的產(chǎn)生，控制鋁脫氧劑的用量及時(shí)機(jī)，同時(shí)在1Cr17Ni2 類不銹鋼材料的熱處理上應(yīng)盡可能避開450℃～550℃的脆性回火范圍，選擇合適的淬火及回火溫度，加快淬火及回火的冷卻速率。