建筑中采用的玻璃幕墻結構需要通過大量拉索固定,某車站的拉索固定索錨具在使用過程中陸續出現開裂、銹蝕等問題,發生過兩次拉索斷裂現象。該車站位于沿海城市,該幕墻拉索于2012年張拉完成,2019年現場發現一根拉索開裂嚴重,后經全面檢測,發現約20%的索錨具均存在裂紋（見圖1）。 

圖  1  索錨具開裂位置外觀

索錨具材料為316鋼,其生產工藝為：下料→鉆孔→固溶處理→精加工→熱裝配→壓制→冷卻→拋光→組裝→清潔→包裝→入庫。其中固溶處理溫度為1 050~1 150 ℃,保溫2 h后水冷。索錨具壓制溫度為350~400 ℃,采用感應加熱裝置。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了索錨具開裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂索錨具的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：索錨具深孔端部存在沿軸向長裂紋,長度約為213 mm；裂紋位于索錨具端頭處,開口較大,裂紋內部呈深紅色,裂紋另一端較細長,呈斷續階躍延伸特征,裂紋整體沿伸展方向可見銹蝕斑點；索錨具表面存在多處銹蝕斑點及微小裂紋。 

圖  2  開裂索錨具的宏觀形貌

將索錨具沿裂紋打開,斷口的宏觀形貌如圖3所示。由圖3可知：索錨具內表面存在明顯拉索擠壓痕跡,斷口表面呈暗紅色,銹蝕嚴重；近外表面處存在較多臺階,呈多源起裂特征,同時斷口隱約可見放射線擴展紋路,由外表面向內表面發散,表明外表面為該裂紋起源處；斷口附近未見明顯塑性變形現象。 

圖  3  斷口宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂索錨具上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：開裂索錨具的化學成分符合ASTM A276—2017 《不銹鋼棒材和型材的標準規范》的要求,其中C元素質量分數接近標準要求的上限。 

1.3   力學性能測試

在索錨具螺紋段位置截取拉伸試樣,試樣直徑為12.5 mm,對試樣進行拉伸試驗,結果如表2所示。由表2可知：開裂索錨具的力學性能符合ASTM A276—2017的要求。 

在索錨具外表面、1/2厚度及內表面位置取樣,對試樣進行硬度測試,結果如表3所示。由表3可知：索錨具材料硬度較為均勻,無明顯差異。 

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

在裂紋斷口及外表面位置取樣,將試樣清洗后置于SEM下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋近外表面可見較多臺階沿索錨具軸向分布,裂紋源呈沿晶特征,且附有大量腐蝕產物；擴展區以沿晶擴展形貌為主,且附有較多腐蝕產物；斷口近內表面形貌以沿晶擴展為主,附有大量腐蝕產物；索錨具外表面近斷口處可見較多分叉裂紋呈沿晶擴展特征,表面有腐蝕產物。 

圖  4  裂紋斷口及外表面SEM形貌

對外表面腐蝕產物和裂紋源銹蝕點進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知：外表面腐蝕產物中存在Cl、S等腐蝕性元素；銹蝕點中同樣存在較多腐蝕性元素Cl。 

圖  5  外表面腐蝕產物和裂紋源銹蝕點的能譜分析結果

1.5   金相檢驗

在索錨具斷口及外表面截取縱截面試樣,并按GB/T 13298—2015 《金屬顯微組織檢驗方法》制備金相試樣,將試樣置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：索錨具近心部顯微組織為奧氏體+顆粒狀碳化物；斷口呈沿晶斷裂形貌,且斷口部分晶粒已脫落,斷口下層的二次裂紋呈沿晶形貌延伸；裂紋由表面沿奧氏體晶界向基體內部擴展,且部分晶粒已剝落。 

圖  6  索錨具斷口及外表面的微觀形貌

根據GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》對索錨具心部的非金屬夾雜物進行評級,結果如表4所示。 

近外表面金相試樣的微觀形貌如圖7所示。由圖7可知：白亮色鏈狀碳化物沿奧氏體晶界析出；裂紋沿奧氏體晶界擴展,部分裂紋內還殘留未掉落的白亮色碳化物。 

圖  7  近外表面金相試樣的微觀形貌

2.   綜合分析

綜合上述理化檢驗結果可知：索錨具的化學成分、力學性能均符合相關標準要求,索錨具材料的硬度較為均勻,無明顯差異,其中C元素含量接近標準要求的上限。索錨具表面存在較多沿軸向分布的裂紋與銹蝕點,裂紋起源于索錨具外表面,裂紋均呈沿晶開裂特征。斷口腐蝕較為嚴重,斷口及外表面均存在Cl、S等腐蝕性元素。索錨具顯微組織為奧氏體+顆粒狀碳化物,碳化物沿奧氏體晶界呈連珠狀析出,導致晶界弱化,裂紋由外表面沿晶界擴展,最終導致索錨具發生晶間腐蝕開裂。 

索錨具顯微組織中含有大量沿奧氏體晶界析出的碳化物,在晶界呈連珠狀分布。結合索錨具的生產工藝,判斷其固溶處理效果較差,使得C元素以M23C6（M為Fe、Cr等元素）形式沿晶界析出,造成晶界附近的碳、鉻元素的含量急劇下降,在晶界上形成貧鉻區。由于晶界鈍態受到破壞,貧鉻區易成為陽極區,而碳化物和處于鈍態的晶粒成為陰極區。在腐蝕性介質中,晶界與晶粒形成活化-鈍化微電池,該電池具有大陰極、小陽極的面積比,加速了晶界的腐蝕,從而導致索錨具形成晶間腐蝕裂紋并擴展[1]。 

索錨具表面及裂紋斷口處含有腐蝕性元素S、Cl。該索錨具服役于沿海城市,常年受海風及臺風影響,潮濕的空氣中含有氯離子,氯離子能優先選擇性地吸附在不銹鋼表面的氧化膜上,把氧原子擠掉,然后和氧化膜中的陽離子結合,形成可溶性氯化物,從而破壞不銹鋼表面的鈍化膜[2-3]。 

3.   結論

索錨具的開裂形式為晶間腐蝕開裂,索錨具固溶處理效果不佳,沿晶界析出大量M23C6型碳化物,降低了索錨具的抗晶間腐蝕性能,在腐蝕性元素S、Cl的作用下,索錨具外表面萌生微裂紋,在外力作用下,裂紋沿晶界向內部擴展,最終導致索錨具發生開裂。

文章來源——材料與測試網