不鏽鋼螺（luó）栓斷裂，熱（rè）處理工藝不（bú）當難逃幹係

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S43100不鏽鋼是引進於ASTM標準中的（de）材料，是一種馬氏體-鐵（tiě）素體型不鏽（xiù）鋼，其特點是在保留鐵素體不鏽鋼耐蝕性（xìng）的同時，又具有馬氏體不鏽鋼的高強度（dù），在工業上應用廣泛。一般螺栓使用的材料（liào）為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由（yóu）於材料在海（hǎi）水（shuǐ）環境中的耐蝕性不如（rú）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（dàn）是S43100不鏽鋼的熱處理工藝製度非常嚴格，極易引起腐蝕（shí）脆裂。本（běn）文以斷裂的S43100不鏽鋼螺栓為研究（jiū）對象，分（fèn）析造成螺栓斷裂（liè）的原（yuán）因。

1.斷裂情況

某（mǒu）項目斷裂的S43100 不（bú）鏽鋼螺栓為電渣（zhā）重熔生產的鍛造棒料，規格為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（luó）栓的熱處理工（gōng）藝為淬火（huǒ）：1020 ℃保溫後油（yóu）冷至200 ℃以下出爐（lú）空（kōng）冷至室溫，回火：530 ℃保（bǎo）溫後空冷至室溫。然後將試樣加工成標距為（wéi）30mm 、平行部分（fèn）直徑6mm 的棒狀拉伸試樣，並在RSA250 萬能試驗機上按照GB/T 228 —2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行（háng）常（cháng）溫拉伸試驗，其實測的力學性能與標準技（jì）術要（yào）求如表1 所示。

表1 S43100不鏽（xiù）鋼力（lì）學性能

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

圖1 斷裂螺（luó）栓照片

2.斷裂原因分析

該斷裂螺栓斷口清洗前，整個斷（duàn）麵無明顯（xiǎn）的剪（jiǎn）切唇，螺栓斷口上存在較厚腐蝕產物。SEM/EDX 元素分析表（biǎo）明腐蝕（shí）產物中主要含有Fe 、Cr 、O 、C 和Cl 元素，還含（hán）少量S 、Si 元素，表明實際（jì）服役（yì）環境（jìng）中含Cl - 等侵蝕性離子。

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（suǒ）示。采用掃描電子（zǐ）顯微鏡對去除腐蝕（shí）產物後的斷口（kǒu）的微觀特征進行了觀察，結果表明，斷裂螺栓斷口呈（chéng）現典型的沿晶斷裂特征，斷口（kǒu）呈現冰糖（táng）狀特征（zhēng）。

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照片。由圖3可知，熱處理後的S43100不鏽鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素體，並且晶內和晶界彌散分布大量的（de）碳化（huà）物且連續分布。

（a）

（b）

圖3 S43100不鏽鋼熱處理後的SEM照片

另（lìng）取3 件螺栓，將其加工成標距為35mm 、平行部分（fèn）直（zhí）徑5mm 的棒狀（zhuàng）拉伸試（shì）樣，以應變速率為1.0 ×10 -6 s -1 ，在慢應變速率拉伸應（yīng）力（lì）腐蝕（shí）試驗機上按照標準（zhǔn）GB/T15970.7 —2000 《金屬和合金的腐蝕應（yīng）力腐蝕試驗第7 部分：慢應變速率試驗》進行應力（lì）腐蝕敏感性測試，其慢拉伸試驗（yàn）（SSRT）結果列於表2。通常應力腐蝕敏（mǐn）感性位於0~1 之間，該值越大（dà），材料的應力腐蝕敏感性就越高，由表2 可以看出，經過調質處理後的S43100 不（bú）鏽（xiù）鋼（gāng）均有不同程（chéng）度的損失，而且（qiě）離散型很大，其中試樣6的應（yīng）力腐蝕敏感性最（zuì）大，達到0.44 。

表2 S43100不鏽鋼慢拉伸試驗結果

圖4為試樣（yàng）4經慢應（yīng）變（biàn）速率試驗後（hòu）的斷口和截麵形貌。由圖4可知斷裂方式為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形，呈沿（yán）晶斷（duàn）裂斷口特（tè）征，截麵形貌觀察表明試樣（yàng）的裂紋沿（yán）著晶界擴展，表明其斷裂屬性為應力腐（fǔ）蝕開裂。

（a）斷口

（b）截麵（miàn）

圖4 S43100不鏽鋼SSRT試驗後的（de）斷口和截麵形貌

S43100不鏽鋼（gāng）需（xū）要經（jīng）過熱處理才能得到相應的力學性能，但是此鋼在（zài）530℃左右回火時，晶界（jiè）上（shàng）析出大量的含（hán）Cr碳化物，從而形成貧Cr區（qū），從而降低（dī）了材料的耐蝕性。

3.改進措施（shī）

以往（wǎng）的S43100不鏽（xiù）鋼螺栓技術要求（qiú）的屈服強度（dù）為833MPa，但是近來（lái）國外壓縮機使用（yòng）此材料螺（luó）栓時已（yǐ）經改為采用屈服強度為686MPa。鑒於S43100不鏽鋼在530℃附近有大量的含Cr碳化物析出，降低材料的耐蝕性，根據國外經驗和以上的檢驗結果，將S43100不鏽鋼螺栓的回火溫度改為600℃。

另取同批（pī）螺栓鍛（duàn）件6件，對（duì）其進行淬火：1020℃保溫後油冷至200℃以下出爐空冷至室溫，回（huí）火：600℃保溫後空冷至室溫的（de）熱（rè）處理工藝，取其中3件試樣進行力學性能檢測，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件試樣進行應力腐蝕敏感性檢驗，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感性很小，然後對編號為8的試樣（yàng）進行斷（duàn）口掃描檢驗，如圖5所示，無明顯腐蝕斷裂情況出現。

（a）斷口

（b）截麵

圖5 S43100不鏽鋼熱處理改善後的SSRT試驗斷口和截麵形貌

4.結語

（1）熱處理後的S43100不鏽鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素（sù）體，並且晶（jīng）內和晶（jīng）界彌散分布大（dà）量的碳化物且連續分布。

（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（huǒ）時，晶界上析（xī）出大（dà）量的含Cr碳化物，從而形成貧Cr區，從而降低了材料的耐蝕性。