不銹鋼U形螺栓的斷裂原因

楊海濤

(同濟(jì)大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院,上海 200092)

某不銹鋼U形螺栓使用約0.5 a(年)后發(fā)生斷裂。該螺栓材料為S30408不銹鋼，實(shí)際使用中表面涂有油漆保護(hù)。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(cè)斷口表面有明顯銹跡。為找出該U形螺栓的斷裂原因，對(duì)其進(jìn)行了一系列檢驗(yàn)和分析，以期類似事故不再發(fā)生。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 化學(xué)成分分析

采用電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和碳硫儀對(duì)螺栓進(jìn)行了化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1?？梢娢磾嗔崖菟ǖ幕瘜W(xué)成分符合GB/T 20878-2007《不銹鋼和耐熱鋼 牌號(hào)及化學(xué)成分》的成分要求，而斷裂螺栓的碳元素和硫元素均超標(biāo)[1]。

表1 斷裂螺栓和未斷裂螺栓的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the fractured and unfractured bolts (mass fraction) %

1.2 硬度測(cè)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(jì)進(jìn)行測(cè)試，結(jié)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(guī)定固溶處理后304不銹鋼原料棒的硬度應(yīng)不大于200 HV0.3[2]，但奧氏體不銹鋼存在冷加工硬化現(xiàn)象，因此斷裂U形螺栓硬度偏高可能與此有關(guān)。

表2 斷裂螺栓的硬度測(cè)試結(jié)果Tab.2 Hardness test results of the fractured bolt HV0.3

1.3 拉伸試驗(yàn)

在斷裂U形螺栓和未斷裂螺栓相同位置取拉伸試樣后進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，結(jié)果見表3?？梢姅嗔崖菟ǖ目估瓘?qiáng)度和屈服強(qiáng)度分別高達(dá)965 MPa和786 MPa，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)參考值[2]；其斷后伸長(zhǎng)率僅為26.5%，未達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)，這說明斷裂螺栓的強(qiáng)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(yàn)結(jié)果Tab.3 Tensile test results of the fractured and unfractured bolts

1.4 金相檢驗(yàn)

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(jié)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(fā)展，裂紋分叉局部呈根須狀，主裂紋沿著晶界擴(kuò)展(見圖3)，其附近也有較多沿晶擴(kuò)展的二次裂紋，同時(shí)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(zhì)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(xiàn)象，這可能與材料的碳含量過高有關(guān)。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(fā)現(xiàn)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(cè)試

按照GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測(cè)量——標(biāo)準(zhǔn)評(píng)級(jí)圖顯微檢驗(yàn)法》中的A法分別對(duì)斷裂和未斷裂螺栓進(jìn)行非金屬夾雜物評(píng)定，結(jié)果見表4?？梢姅嗔押臀磾嗔崖菟ǖ姆墙饘賷A雜物含量差異不大，但是兩者的冶金質(zhì)量都不高。

表4 非金屬夾雜物的評(píng)定結(jié)果Tab.4 Evaluation results of non-metallic inclusions 級(jí)

1.6 斷口分析

采用體式顯微鏡對(duì)斷裂螺栓的斷口形貌進(jìn)行觀察,如圖6所示?？梢姅嗫诒砻姹灰粚予F銹色腐蝕產(chǎn)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(cè)向右擴(kuò)展，因此判斷A區(qū)很可能為裂紋源。掃描電鏡(SEM)的觀察結(jié)果如圖7～圖10所示。由圖7～圖10可知，斷口A區(qū)被一些腐蝕產(chǎn)物覆蓋，在裂紋擴(kuò)展區(qū)主要呈現(xiàn)出沿晶斷裂特征，而C區(qū)靠近螺栓表面位置的微觀形貌為韌窩，因此該區(qū)域?yàn)樽詈笏矓鄥^(qū)。另外，在靠近斷口A區(qū)的螺栓表面發(fā)現(xiàn)了裂紋，進(jìn)一步放大觀察發(fā)現(xiàn)裂紋內(nèi)存在腐蝕產(chǎn)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(qū)(A區(qū))的微觀形貌Fig.7 Micro morphology of crack source zone (A zone)

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

圖9 瞬斷區(qū)(C區(qū))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(qū)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(cè)試

為了進(jìn)一步觀察和分析裂紋源處及附近表面的腐蝕產(chǎn)物成分，對(duì)靠近斷口A區(qū)的螺栓表面及附近區(qū)域進(jìn)行了能譜(EDS)測(cè)試，測(cè)試位置如圖11所示，結(jié)果見表5?？梢娏鸭y內(nèi)腐蝕產(chǎn)物中存在較多的氯、硫元素，而在螺栓表面未發(fā)現(xiàn)氯元素。

表5 裂紋內(nèi)及裂紋附近的EDS分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))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(xué)成分分析結(jié)果可知，斷裂螺栓的碳元素和硫元素嚴(yán)重超標(biāo)。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(huì)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(huì)出現(xiàn)點(diǎn)蝕傾向；而硫元素超標(biāo)也會(huì)降低其耐蝕性，這主要是因?yàn)樵诟邷叵翸nS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(dǎo)致材料的耐點(diǎn)腐蝕和耐縫隙腐蝕性能顯著降低[3]。結(jié)合金相檢驗(yàn)結(jié)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(yán)重敏化現(xiàn)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(biāo)準(zhǔn)值；其抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度都很高(抗拉強(qiáng)度為880 MPa，屈服強(qiáng)度為752 MPa)，屈強(qiáng)比高達(dá)85.5%，斷后伸長(zhǎng)率顯著下降(僅為26.5%)，斷裂螺栓存在明顯的冷加工硬化現(xiàn)象。

宏觀觀察發(fā)現(xiàn)，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(gè)斷口呈現(xiàn)腐蝕疲勞特征，同時(shí)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(cè)向右擴(kuò)展(從斷口A區(qū)向C區(qū)擴(kuò)展)。腐蝕疲勞是指循環(huán)應(yīng)力與腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下所引起的疲勞斷裂，其主要影響因素有應(yīng)力影響和腐蝕環(huán)境。該斷裂螺栓用于沿海城市的軌交隧道內(nèi)，使用環(huán)境較為潮濕，且能譜發(fā)現(xiàn)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(huán)境中，且該螺栓本身耐腐蝕性能較差，使得腐蝕較容易發(fā)生導(dǎo)致疲勞性能下降；另外軌交列車長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行時(shí)可能會(huì)有較大振動(dòng)并產(chǎn)生周期的載荷，這會(huì)使得裂紋在產(chǎn)生后不斷擴(kuò)展直至最終斷裂。

采用掃描電鏡對(duì)斷口裂紋源、裂紋擴(kuò)展區(qū)和最后瞬斷區(qū)進(jìn)行微觀觀察，發(fā)現(xiàn)斷口主要為沿晶脆性斷裂形貌，裂紋源(斷口A區(qū))附近的螺栓表面存在裂紋，裂紋內(nèi)含有較多氯、硫等腐蝕性元素，未發(fā)現(xiàn)明顯點(diǎn)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(kuò)展，因此判斷該螺栓裂紋源區(qū)的開裂主要與應(yīng)力腐蝕有關(guān)。應(yīng)力腐蝕斷裂是指金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下發(fā)生的脆性斷裂的現(xiàn)象，腐蝕環(huán)境和應(yīng)力兩者缺一不可，相互促進(jìn)裂紋的生成和擴(kuò)展。應(yīng)力腐蝕開裂的主要影響因素有：應(yīng)力影響、腐蝕介質(zhì)影響等。從應(yīng)力影響的因素考慮，該斷裂螺栓本身由于冷加工硬化產(chǎn)生的殘余應(yīng)力很大，再加上工作時(shí)的外應(yīng)力，當(dāng)多種應(yīng)力疊加達(dá)到一定限值后，這為應(yīng)力腐蝕開裂提供了必要條件。從腐蝕介質(zhì)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(nèi)發(fā)現(xiàn)了較多的氯元素，因此可認(rèn)為Cl-和海洋氣候?yàn)樵揢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(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的。

3 結(jié)論及建議

該U形螺栓的斷裂主要是由應(yīng)力腐蝕導(dǎo)致的。該斷裂螺栓在冷加工硬化時(shí)產(chǎn)生了殘余應(yīng)力，后又疊加了工作應(yīng)力，再加上在潮濕的腐蝕環(huán)境下工作，最終發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。

建議采用去應(yīng)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(shí)，加強(qiáng)原材料化學(xué)成分和冶金質(zhì)量的控制。