某緊固管接件螺母發生開裂現象,該螺母的材料為316不銹鋼,管道內通介質為壓縮空氣。開裂螺母于2020年8月投入使用,在2023年7月檢修時出現開裂,總投入使用數量約為15 000件。筆者采用一系列理化檢驗方法對該螺母進行分析,查明了螺母開裂的原因,以避免該類問題再次發生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

開裂螺母所在曲軸的宏觀形貌如圖1所示,采用機械加工方法截取開裂處螺母,對開裂螺母進行清洗,開裂螺母清洗前后的宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：開裂面較為平整,未見明顯塑性變形,裂紋面局部顏色偏暗,為氧化或腐蝕所致。 

圖  1  開裂螺母所在曲軸的宏觀形貌

圖  2  開裂螺母清洗前后的宏觀形貌

1.2   化學成分分析

在開裂螺母上取樣,對試樣進行化學成分分析,結果如表1所示。由表1可知：試樣的碳元素含量不符合ASTM A480/A480M-23b 《不銹鋼和耐熱平板、薄板和帶材的一般要求》的要求。 

1.3   金相檢驗

在裂紋面的剖面上截取金相試樣,將試樣鑲嵌、磨拋、腐蝕處理后置于光學顯微鏡下觀察,結果如圖3所示。由圖3可知：試樣的顯微組織為奧氏體+晶界析出相。 

圖  3  開裂螺母的顯微組織形貌

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

在螺母裂紋面上取樣,將試樣清洗后置于掃描電子顯微鏡下觀察,結果如圖4所示。由圖4可知：裂紋面左下角較為粗糙的區域為瞬斷區,該區域呈韌窩特征,裂紋源位于瞬斷區的對側,即螺母內壁；瞬斷區以外的區域主要呈沿晶特征,靠近內壁邊緣可見少量異物。 

圖  4  裂紋面的SEM形貌

對靠近內壁邊緣的異物進行能譜分析,結果如圖5所示。由圖5可知：異物中氧元素含量較高,且存在較高含量的腐蝕性元素硫和氯,說明異物為含有硫、氯元素的腐蝕產物。 

圖  5  靠近內壁邊緣異物的能譜分析結果

在裂紋面的剖面上截取試樣,將試樣經鑲嵌、磨拋后置于SEM下觀察,結果如圖6所示。由圖6可知：裂紋面上可見很多沿晶界擴展的二次裂紋,裂紋內可見致密異物。 

圖  6  裂紋面剖面的SEM形貌

對裂紋面上和二次裂紋內的異物進行能譜分析,結果如圖7所示。由圖7可知：裂紋面上和二次裂紋內的異物中氧元素含量較高,且均存在較高含量的腐蝕性元素硫和氯,說明異物為含有硫元素和氯元素的腐蝕產物。 

圖  7  裂紋面上和二次裂紋內異物的能譜分析結果

將金相試樣置于掃描電鏡下觀察,結果如圖8所示。由圖8可知：奧氏體晶界上可見點狀的析出相,部分晶界上可見連成線以及塊狀的析出相。 

圖  8  金相試樣的SEM形貌

分別對奧氏體基體和析出相進行能譜分析,結果如圖9所示。由圖9可知：析出相中鉻元素含量偏高,說明析出相為富鉻碳化物。 

圖  9  奧氏體基體和析出相的能譜分析結果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結果可知：開裂螺母的碳元素含量高于標準要求,奧氏體不銹鋼中的碳元素含量過高會引起晶界富鉻碳化物析出,導致材料中晶界出現貧鉻區,增大了材料的晶間腐蝕敏感性[1],同時降低了不銹鋼的力學性能。開裂起源于螺母內壁,主要呈沿晶開裂特征,靠近內壁處斷口可檢測到含有硫和氯元素的腐蝕產物,說明螺母的使用環境中存在含有硫和氯元素的腐蝕性介質,環境介質滲入螺母內壁并發生了腐蝕,形成沿晶裂紋。裂紋面上可見沿晶界擴展的二次裂紋,裂紋內存在含有硫、氯元素的腐蝕產物。開裂螺母的顯微組織為奧氏體+晶界析出相,析出相中鉻元素含量偏高,判斷析出相為富鉻碳化物。富鉻碳化物的析出會導致材料中晶界出現貧鉻區,使材料發生晶間腐蝕開裂[2-3]。 

3.   結論與建議

在服役過程中,開裂螺母內壁滲入了腐蝕性介質,在腐蝕性介質與螺母緊固應力的共同作用下,形成了沿晶微裂紋,裂紋逐漸向材料內部擴展,最終導致螺母發生了應力腐蝕開裂,晶界上析出富鉻碳化物使晶界貧鉻,導致材料的抗晶間腐蝕能力降低。 

建議選擇化學成分符合標準要求的原材料,并優化熱處理工藝,避免富鉻碳化物析出。在螺母周邊采用相關密封手段,避免滲入腐蝕性介質。 

文章來源——材料與測試網