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不銹鋼螺栓怎么斷裂了? 原來熱處理工藝不當難逃干系 !!!

S43100不銹鋼是引進于ASTM標準中的材料,是一種馬氏體-鐵素體型不銹鋼,其特點是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時,又具有馬氏體不銹鋼的高強度,在工業(yè)上應用廣泛。一般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等,但由于材料在海水環(huán)境中的耐蝕性不如S43100不銹鋼,因此在海水環(huán)境中的螺栓首選材料改為S43100不銹鋼,但是S43100不銹鋼的熱處理工藝制度非常嚴格,極易引起腐蝕脆裂。本文以斷裂的S43100不銹鋼螺栓為研究對象,分析造成螺栓斷裂的原因。


1.斷裂情況

某項目斷裂的S43100不銹鋼螺栓為電渣重熔生產(chǎn)的鍛造棒料,規(guī)格為φ40mm×300mm,其化學成分:wC=0.137%wMn=0.15%、wSi=0.58%、wS=0.006%wP=0.024%、wCr=16.88%、wNi=2.32%。螺栓的熱處理工藝為淬火:1020℃保溫后油冷至200℃以下出爐空冷至室溫,回火:530℃保溫后空冷至室溫。然后將試樣加工成標距為30mm、平行部分直徑6mm的棒狀拉伸試樣,并在RSA250萬能試驗機上按照  GB/T 2282002《金屬材料 室溫拉伸試驗方法》進行常溫拉伸試驗,其實測的力學性能與標準技術(shù)要求如表1所示。


表1 S43100不銹鋼力學性能

項目

標準

試樣1

試樣2

試樣3

抗拉強度/MPa

931

1021

1026

1012

屈服強度/MPa

833

872

887

892

實際產(chǎn)品斷裂的雙頭螺栓,如圖1所示,其斷裂部位位于螺桿與帶螺紋的螺栓頭聯(lián)接處。


圖1 斷裂螺栓照片


2.斷裂原因分析

該斷裂螺栓斷口清洗前,整個斷面無明顯的剪切唇,螺栓斷口上存在較厚腐蝕產(chǎn)物。SEM/EDX元素分析表明腐蝕產(chǎn)物中主要含有 FeCr、O、CCl元素,還含少量SSi元素,表明實際服役環(huán)境中含Cl-等侵蝕性離子。


經(jīng)過酸洗和用毛刷去除腐蝕產(chǎn)物后的斷口形貌如圖2所示。采用掃描電子顯微鏡對去除腐蝕產(chǎn)物后的斷口的微觀特征進行了觀察,結(jié)果表明,斷裂螺栓斷口呈現(xiàn)典型的沿晶斷裂特征,斷口呈現(xiàn)冰糖狀特征。

圖2  斷裂螺栓斷口形貌


圖3為S43100不銹鋼熱處理后掃描電鏡SEM照片。由圖3可知,熱處理后的S43100不銹鋼以索氏體為主,均布著呈塊狀的鐵素體,并且晶內(nèi)和晶界彌散分布大量的碳化物且連續(xù)分布。

(a)

(b)

圖3  S43100不銹鋼熱處理后的SEM照片


另取3件螺栓,將其加工成標距為35mm、平行部分直徑5mm的棒狀拉伸試樣,以應變速率為1.0×10-6s-1,在慢應變速率拉伸應力腐蝕試驗機上按照標準GB/T15970.72000《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 7部分:慢應變速率試驗》進行應力腐蝕敏感性測試,其慢拉伸試驗(SSRT)結(jié)果列于表2。通常應力 腐蝕敏感性位于0~1之間,該值越大,材料的應力腐蝕敏感性就越高,由表2可以看出,經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理后的S43100不銹鋼均有不同程度的損失,而且離散型很大,其中試樣6的應力腐蝕敏感性最大,達到0.44


表2 S43100不銹鋼慢拉伸試驗結(jié)果

項目

試樣4

試樣5

試樣6

抗拉強度/MPa

892

903

915

屈服強度/MPa

770

748

795

應力腐蝕敏感性

0.25

0.09

0.44

圖4為試樣4經(jīng)慢應變速率試驗后的斷口和截面形貌。由圖4可知斷裂方式為脆性斷裂,沒有明顯的塑性變形,呈沿晶斷裂斷口特征,截面形貌觀察表明試樣的裂紋沿著晶界擴展,表明其斷裂屬性為應力腐蝕開裂。


(a)斷口

(b)截面

圖4  S43100不銹鋼SSRT試驗后的斷口和截面形貌


S43100不銹鋼需要經(jīng)過熱處理才能得到相應的力學性能,但是此鋼在530℃左右回火時,晶界上析出大量的含Cr碳化物,從而形成貧Cr區(qū),從而降低了材料的耐蝕性。


3.改進措施

以往的S43100不銹鋼螺栓技術(shù)要求的屈服強度為833MPa,但是近來國外壓縮機使用此材料螺栓時已經(jīng)改為采用屈服強度為686MPa。鑒于S43100不銹鋼在530℃附近有大量的含Cr碳化物析出,降低材料的耐蝕性,根據(jù)國外經(jīng)驗和以上的檢驗結(jié)果,將S43100不銹鋼螺栓的回火溫度改為600℃。


另取同批螺栓鍛件6件,對其進行淬火:1020℃保溫后油冷至200℃以下出爐空冷至室溫,回火:600℃保溫后空冷至室溫的熱處理工藝,取其中3件試樣進行力學性能檢測,其結(jié)果為:試樣7屈服強度806MPa、試樣8屈服強度811MPa和試樣9屈服強度794MPa。將剩余3件試樣進行應力腐蝕敏感性檢驗,其慢拉伸試驗(SSRT)結(jié)果均為0,說明此時S43100不銹鋼的應力腐蝕敏感性很小,然后對編號為8的試樣進行斷口掃描檢驗,如圖5所示,無明顯腐蝕斷裂情況出現(xiàn)。

(a)斷口

(b)截面

圖5  S43100不銹鋼熱處理改善后的SSRT試驗斷口和截面形貌


4.結(jié)語

(1)熱處理后的S43100不銹鋼以索氏體為主,均布著呈塊狀的鐵素體,并且晶內(nèi)和晶界彌散分布大量的碳化物且連續(xù)分布。


(2)斷裂的S43100不銹鋼螺栓斷口為典型的沿晶斷裂特征。


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

作者:陳煒,王冬穎,梁盈

單位:沈陽鼓風機集團股份有限公司

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