1Cr17Ni2 不锈钢拉杆断裂失效分析

孟文华

（江苏容大材料腐蚀检验有限公司，江苏 无锡 214000）

一使用在东北户外的1Cr17Ni2 不锈钢拉杆，生产方式为：机加工+热处理（调质处理），其工况主要承受拉力，无剪切力（见图1，在使用9 年后断裂，断裂位置位于失效件杆部中间，为探究其失效原因，应用液压万能试验机、材料显微镜、扫描电镜、直读光谱仪、硬度计等设备对断裂螺栓进行失效分析。

图1 失效件使用工况示意图

图2 失效样品

1 断口分析

1.1 断口宏观形貌分析

断口断裂位置位于连杆杆部中间，周边无明显变形，有腐蚀，见图2；整个断口相对光滑，约有2/3 的面积布满锈迹，从断口宏观上看，断裂源有两处，均位于连杆边缘，断裂源2 处依稀可辨金属光泽，断裂源1 处腐蚀程度深，肉眼无法辨清基体，可推断，断裂源1 处首先发生开裂。扩展区椭圆形贝壳纹明显，为疲劳辉纹[1]，瞬断区位置靠近断面中心，均表明失效件受载荷较大或材料较脆，见图3。

图3 断口形貌示意图

1.2 断口微观形貌分析

利用扫描电镜，对断口起源区、扩展区、瞬断区观察，发现失效样品，断裂源区布满腐蚀产物，并且断裂源区有应力腐蚀特有的泥状花样特征见图4 右图所示。对腐蚀产物做能谱分析，其含有硫、氯腐蚀性元素，扩展区疲劳辉纹和沿晶开裂，瞬断区为为解理+沿晶，见图4，材料断裂是由于腐蚀引起的疲劳断裂。

图4 断裂源1 区微观形貌 左：100X 右：1000X

表1 断裂源区元素含量表

表2 样品成分检测结果（wt%）

2 化学成分分析

对失效样品取样进行成分分析，分析仪器为火花放电原子发射光谱。试验参考标准为GB/T 11170-2008《不锈钢多元素含量的测定火花放电原子发射光谱法（常规法）》，试验结果如表2所示，送检样品硅Si 元素成分高于标准GB/T 20878-2007 要求，硅虽然对提高铬钢抗氧化性能的作用很大，但过量的硅能使钢的晶粒粗化和脆性倾向增大。

3 力学分析（拉伸试验）

选取连杆杆部一段，制成Φ10 圆棒试样做拉伸试验，试验仪器为微机控制电子万能试验机，试验参考标准为GB/T 228.1-2010《金属材料拉伸试验第1 部分：室温试验方法》，试验结果抗拉强度为1485MPa，客户要求为大于1070MPa 小于1320MPa，送检样品抗拉强度远高于客户要求。由此推断，失效件强度偏高，脆性大。

4 硬度测试

根据GB/T 4340.1-2009《金属材料维氏硬度试验第1 部分：试验方法》标准要求，对失效样品测试其维氏硬度，结果为444.4HV1，447.4HV1，448.9HV1，客户并未提供要求，但从硬度值来看，失效件的硬度较高。

5 金相分析

沿失效样品裂源处抛开，镶嵌，磨抛，观察裂源横截面。

5.1 非金属夹杂物分析

图5 金相图未腐蚀 左：50X 右：100X

根据标准GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》，在断面中间处发现长达2mm 的B 类氧化铝夹杂及少量A 类夹杂见图5，B 类夹杂物Al2O3 夹杂是难熔、高硬度的脆性夹杂物，端部尖锐，产生应力集中。

5.2 显微组织分析

根据GB/T 13298-2015《显微组织检验与评级》及GB/T 13299-1991《钢的显微组织评定方法》进行显微组织观察，结果表明：组织为索氏体基体，其上分布有大量条带状高温铁素体，并且在晶间有明显碳化物析出，此类碳化物会降低材料的韧性及抗腐性能。

图6 失效样品1 金相图500X（腐蚀）左：100X 右：500X

6 综合分析

拉杆端口上布满腐蚀产物，并有应力腐蚀特有的泥状花样，沿晶断裂特征明显，从以上分析结果可见，此拉杆的断裂应为腐蚀疲劳所致。构件在长期的服役过程中处于拉应力环境、同时其服役环境中含有硫、氯等腐蚀性介质、同时高温铁素体的出现，导致铬富集及贫铬区出现，致使材料抗腐蚀性能降低脆性大，增加了失效件材料开裂敏感性，此三点满足了产生应力腐蚀的三个条件：材料敏感性、腐蚀环境和应力条件[2]。

其次失效件含有大量的超尺寸B 类夹杂物，为拉杆疲劳源区的产生提供了条件。

7 结论与建议

拉杆的失效是应为腐蚀疲劳所致，腐蚀元素为氯离子。同时材料中的大量的超尺寸B 类夹杂物，为拉杆疲劳源区的产生提供了条件。建议在冶金过程中应严格控制B 类夹杂物的产生，控制铝脱氧剂的用量及时机，同时在1Cr17Ni2 类不锈钢材料的热处理上应尽可能避开450℃～550℃的脆性回火范围，选择合适的淬火及回火温度，加快淬火及回火的冷却速率。