不銹鋼螺栓斷裂與熱處理有哪些關系？

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：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試驗機上按照  GB/T 228—2002《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要求如表1所示。

表1 S43100不銹鋼力學性能

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。

不銹鋼螺栓斷裂與熱處理有哪些關系？

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/T15970.7—2000《金屬和合金的腐蝕 應力腐蝕試驗 第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的應力腐蝕敏感性大，達到0.44。

表2 S43100不銹鋼慢拉伸試驗結果

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。

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)。

4.結語

（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。