不锈钢U形螺栓的断裂原因

2021-08-30杨海涛

理化检验(物理分册) 2021年8期

杨海涛

(同济大学材料科学与工程学院,上海 200092)

某不锈钢U形螺栓使用约0.5 a(年)后发生断裂。该螺栓材料为S30408不锈钢，实际使用中表面涂有油漆保护。图1为断裂螺栓的宏观形貌，图1 a)可见断裂位置位于U形螺栓的底部平直段，在螺栓其他位置也存在多处裂纹，图1 b)可见一侧断口表面有明显锈迹。为找出该U形螺栓的断裂原因，对其进行了一系列检验和分析，以期类似事故不再发生。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

采用电感耦合等离子体发射光谱仪和碳硫仪对螺栓进行了化学成分分析，结果见表1。可见未断裂螺栓的化学成分符合GB/T 20878-2007《不锈钢和耐热钢牌号及化学成分》的成分要求，而断裂螺栓的碳元素和硫元素均超标[1]。

表1 断裂螺栓和未断裂螺栓的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the fractured and unfractured bolts (mass fraction) %

1.2 硬度测试

在断裂U形螺栓断口附近位置取硬度试样，采用显微维氏硬度计进行测试，结果见表2。由表2可知，断裂U形螺栓断口附近的硬度平均值为241 HV0.3。GB/T 1220-2007《不锈钢棒》中规定固溶处理后304不锈钢原料棒的硬度应不大于200 HV0.3[2]，但奥氏体不锈钢存在冷加工硬化现象，因此断裂U形螺栓硬度偏高可能与此有关。

表2 断裂螺栓的硬度测试结果Tab.2 Hardness test results of the fractured bolt HV0.3

1.3 拉伸试验

在断裂U形螺栓和未断裂螺栓相同位置取拉伸试样后进行拉伸试验，结果见表3。可见断裂螺栓的抗拉强度和屈服强度分别高达965 MPa和786 MPa，远高于标准参考值[2]；其断后伸长率仅为26.5%，未达到标准，这说明断裂螺栓的强度过高且塑性和韧性较差。

表3 断裂螺栓和未断裂螺栓的拉伸试验结果Tab.3 Tensile test results of the fractured and unfractured bolts

1.4 金相检验

分别在断裂螺栓断口附近和未断裂螺栓相同位置取金相试样，依次镶嵌、磨抛、浸蚀和观察，结果如图2～图5所示。由图2可见断裂螺栓的裂纹从表面向心部发展，裂纹分叉局部呈根须状，主裂纹沿着晶界扩展(见图3)，其附近也有较多沿晶扩展的二次裂纹，同时可见材料中存在大量的非金属夹杂物，这说明该材料的冶金质量不高。由图4可见裂纹处的显微组织为奥氏体，裂纹处晶粒存在脱落，晶界呈黑粗的沟壑状，这说明沿着晶界有大量的碳化物析出，存在明显敏化现象，这可能与材料的碳含量过高有关。图5为未断裂螺栓的显微组织形貌，可见其显微组织为奥氏体，晶界上未发现明显的析出碳化物。

图2 断裂螺栓的裂纹整体形貌Fig.2 Overall morphology of the crack of the fractured bolt

图4 断裂螺栓裂纹处的显微组织形貌Fig.4 Microstructure morphology on the crack of the fractured bolt

1.5 非金属夹杂物测试

按照GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测量——标准评级图显微检验法》中的A法分别对断裂和未断裂螺栓进行非金属夹杂物评定，结果见表4。可见断裂和未断裂螺栓的非金属夹杂物含量差异不大，但是两者的冶金质量都不高。

表4 非金属夹杂物的评定结果Tab.4 Evaluation results of non-metallic inclusions 级

1.6 断口分析

采用体式显微镜对断裂螺栓的断口形貌进行观察,如图6所示。可见断口表面被一层铁锈色腐蚀产物所覆盖，但是断口表面的贝壳状纹路仍清晰可见，且该弧线从图6中的左侧向右扩展，因此判断A区很可能为裂纹源。扫描电镜(SEM)的观察结果如图7～图10所示。由图7～图10可知，断口A区被一些腐蚀产物覆盖，在裂纹扩展区主要呈现出沿晶断裂特征，而C区靠近螺栓表面位置的微观形貌为韧窝，因此该区域为最后瞬断区。另外，在靠近断口A区的螺栓表面发现了裂纹，进一步放大观察发现裂纹内存在腐蚀产物或腐蚀残留物。

图6 断裂螺栓的断口宏观形貌Fig.6 Macro morphology of fracture of the fractured bolt

图7 裂纹源区(A区)的微观形貌Fig.7 Micro morphology of crack source zone (A zone)

图8 裂纹扩展区(B区)的微观形貌Fig.8 Micro morphology of crack propagation zone (B zone)

图9 瞬断区(C区)的微观形貌Fig.9 Micro morphology of transient fault zone (C zone)

图10 螺栓表面靠近A区处的裂纹形貌Fig.10 Morphology of the crack of bolt surface near zone A:a)overall morphology ;b)magnification morphology

1.7 能谱测试

为了进一步观察和分析裂纹源处及附近表面的腐蚀产物成分，对靠近断口A区的螺栓表面及附近区域进行了能谱(EDS)测试，测试位置如图11所示，结果见表5。可见裂纹内腐蚀产物中存在较多的氯、硫元素，而在螺栓表面未发现氯元素。

表5 裂纹内及裂纹附近的EDS分析结果(质量分数)Tab.5 EDS analysis results in and near the crack (mass fraction) %

图11 EDS分析位置Fig.11 EDS analysis locations

2 分析与讨论

由化学成分分析结果可知，断裂螺栓的碳元素和硫元素严重超标。奥氏体不锈钢加工或使用过程中，在一定的温度范围下碳含量过高会容易形成高铬的Cr23C6，造成局部贫铬，使得材料的耐晶间腐蚀性下降，并会出现点蚀倾向；而硫元素超标也会降低其耐蚀性，这主要是因为在高温下MnS或(Fe,Mn)S沿晶界析出，而MnS等易溶于酸性氯化物，常成为腐蚀源导致材料的耐点腐蚀和耐缝隙腐蚀性能显著降低[3]。结合金相检验结果来看，浸蚀后该断裂U形螺栓的晶界呈黑粗的沟壑状，存在严重敏化现象，大量碳化物沿晶界析出，表明断裂螺栓本身的耐腐蚀性能较差。

断裂螺栓断口附近的硬度为241 HV0.3，高于标准值；其抗拉强度和屈服强度都很高(抗拉强度为880 MPa，屈服强度为752 MPa)，屈强比高达85.5%，断后伸长率显著下降(仅为26.5%)，断裂螺栓存在明显的冷加工硬化现象。

宏观观察发现，螺栓断口表面被一层铁锈色腐蚀物所覆盖，但贝壳状纹路清晰可见，整个断口呈现腐蚀疲劳特征，同时从贝壳状纹路的弧度方向也可以判断裂纹从图6中的左侧向右扩展(从断口A区向C区扩展)。腐蚀疲劳是指循环应力与腐蚀介质联合作用下所引起的疲劳断裂，其主要影响因素有应力影响和腐蚀环境。该断裂螺栓用于沿海城市的轨交隧道内，使用环境较为潮湿，且能谱发现螺栓表面除了存在氯、硫元素外还存在大量的钠元素和少量钾、钙元素，这说明该螺栓处于较潮湿的腐蚀环境中，且该螺栓本身耐腐蚀性能较差，使得腐蚀较容易发生导致疲劳性能下降；另外轨交列车长时间运行时可能会有较大振动并产生周期的载荷，这会使得裂纹在产生后不断扩展直至最终断裂。

采用扫描电镜对断口裂纹源、裂纹扩展区和最后瞬断区进行微观观察，发现断口主要为沿晶脆性断裂形貌，裂纹源(断口A区)附近的螺栓表面存在裂纹，裂纹内含有较多氯、硫等腐蚀性元素，未发现明显点蚀坑，且断口附近未贯穿的裂纹存在分叉，局部呈根须状，主裂纹和二次裂纹均沿着晶界扩展，因此判断该螺栓裂纹源区的开裂主要与应力腐蚀有关。应力腐蚀断裂是指金属材料在应力和腐蚀介质共同作用下发生的脆性断裂的现象，腐蚀环境和应力两者缺一不可，相互促进裂纹的生成和扩展。应力腐蚀开裂的主要影响因素有：应力影响、腐蚀介质影响等。从应力影响的因素考虑，该断裂螺栓本身由于冷加工硬化产生的残余应力很大，再加上工作时的外应力，当多种应力叠加达到一定限值后，这为应力腐蚀开裂提供了必要条件。从腐蚀介质影响的因素考虑，该U形螺栓用于沿海城市，属于海洋气候，且在疲劳源附近的裂纹内发现了较多的氯元素，因此可认为Cl-和海洋气候为该U形螺栓提供了特定的腐蚀条件。综合以上分析，螺栓疲劳源处的开裂主要是由应力腐蚀导致的。