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不銹鋼螺栓斷裂與熱處理有哪些關(guān)系?

來源:深圳市泰立儀器儀表有限公司   2018年11月01日 08:16  

不銹鋼螺栓斷裂與熱處理有哪些關(guān)系?

S43100不銹鋼是引進(jìn)于ASTM標(biāo)準(zhǔn)中的材料,是一種馬氏體-鐵素體型不銹鋼,其特點(diǎn)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(qiáng)度,在工業(yè)上應(yīng)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xian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(yán)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(xiàng)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(xué)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(biāo)距為30mm、平行部分直徑6mm的棒狀拉伸試樣,并在RSA250試驗(yàn)機(jī)上按照  GB/T 228—2002《金屬材料 室溫拉伸試驗(yàn)方法》進(jìn)行常溫拉伸試驗(yàn),其實(shí)測的力學(xué)性能與標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)要求如表1所示。

 

表1 S43100不銹鋼力學(xué)性能

項(xiàng)目

標(biāo)準(zhǔn)

試樣1

試樣2

試樣3

抗拉強(qiáng)度/MPa

931

1021

1026

1012

屈服強(qiáng)度/MPa

833

872

887

892

實(shí)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。

 

不銹鋼螺栓斷裂與熱處理有哪些關(guān)系?

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 Fe、Cr、O、C和Cl元素,還含少量S、Si元素,表明實(shí)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(jìn)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。

 

 

 

另取3件螺栓,將其加工成標(biāo)距為35mm、平行部分直徑5mm的棒狀拉伸試樣,以應(yīng)變速率為1.0×10-6s-1,在慢應(yīng)變速率拉伸應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)機(jī)上按照標(biāo)準(zhǔn)GB/T15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕 應(yīng)力腐蝕試驗(yàn) 第7部分:慢應(yīng)變速率試驗(yàn)》進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性測試,其慢拉伸試驗(yàn)(SSRT)結(jié)果列于表2。通常應(yīng)力 腐蝕敏感性位于0~1之間,該值越大,材料的應(yīng)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(yīng)力腐蝕敏感性大,達(dá)到0.44。

 

表2 S43100不銹鋼慢拉伸試驗(yàn)結(jié)果

項(xiàng)目

試樣4

試樣5

試樣6

抗拉強(qiáng)度/MPa

892

903

915

屈服強(qiáng)度/MPa

770

748

795

應(yīng)力腐蝕敏感性

0.25

0.09

0.44

圖4為試樣4經(jīng)慢應(yīng)變速率試驗(yàn)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(kuò)展,表明其斷裂屬性為應(yīng)力腐蝕開裂。

 

 

 

S43100不銹鋼需要經(jīng)過熱處理才能得到相應(yīng)的力學(xué)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(jìn)措施

以往的S43100不銹鋼螺栓技術(shù)要求的屈服強(qiáng)度為833MPa,但是近來國外壓縮機(jī)使用此材料螺栓時已經(jīng)改為采用屈服強(qiáng)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(yàn)和以上的檢驗(yàn)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(jìn)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(jìn)行力學(xué)性能檢測,其結(jié)果為:試樣7屈服強(qiáng)度806MPa、試樣8屈服強(qiáng)度811MPa和試樣9屈服強(qiáng)度794MPa。將剩余3件試樣進(jìn)行應(yīng)力腐蝕敏感性檢驗(yàn),其慢拉伸試驗(yàn)(SSRT)結(jié)果均為0,說明此時S43100不銹鋼的應(yīng)力腐蝕敏感性很小,然后對編號為8的試樣進(jìn)行斷口掃描檢驗(yàn),如圖5所示,無明顯腐蝕斷裂情況出現(xiàn)。

 

 

 

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。

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