0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼螺栓斷裂失效分析

梁威

遼寧紅沿河核電有限公司 遼寧大連 116319

1 序言

某電廠在機組停機檢修過程中，對閥門進行解體檢查，在拆卸閥蓋時發(fā)現(xiàn)用于緊固的4根螺栓均發(fā)生斷裂。斷裂螺栓材質(zhì)為0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼，規(guī)格為M10×60。0Cr17Ni4Cu4Nb是一種沉淀硬化馬氏體不銹鋼，具有良好的綜合性能，被廣泛應(yīng)用于航空航天、核電及石油等能源工業(yè)領(lǐng)域，同時也大量用于在370℃以下使用的耐磨、耐蝕高強度結(jié)構(gòu)件，包括軸、齒輪等傳動裝置，以及螺栓、墊圈等緊固件[1，2]。本文通過對斷裂螺栓的材質(zhì)檢驗及斷口分析，結(jié)合現(xiàn)場調(diào)查結(jié)果，最終明確其斷裂原因并提出了改進措施。

2 試驗方法及結(jié)果

2.1 宏觀檢測

對現(xiàn)場斷裂的4根螺栓分別編號為1#～4#，經(jīng)宏觀檢測發(fā)現(xiàn)斷口平齊潔凈，表面有金屬光澤，但存在嚴(yán)重磨損，斷口表面具有明顯的扭轉(zhuǎn)形貌特征。 斷裂螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示。

2.2 化學(xué)成分分析

在1#、3#、4#螺栓斷口附近取樣，采用OPTIMA2100DV型全譜只讀等離子發(fā)射光譜儀進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。由表1可看出，斷裂螺栓的化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》對0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的要求。

表1 斷裂螺栓化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

2.3 金相組織檢測

對3#、4#螺栓在斷口附近取樣，圖2所示為3#、4#螺栓拋光態(tài)下的宏觀金相照片?？拷鼣嗫谔幝菅酪衙黠@鎖死，并可見明顯機械損傷，這表明螺栓在斷裂之前先發(fā)生了螺牙卡塞。螺栓顯微組織（見圖3）為回火馬氏體及少量呈網(wǎng)狀分布的δ鐵素體，未見過熱、過燒、超標(biāo)非金屬夾雜物（見圖4）等其他異常情況。

圖2 斷裂螺栓縱截面和橫截面宏觀金相

圖3 斷裂螺栓縱截面金相組織

圖4 非金屬夾雜物照片

2.4 力學(xué)性能測試

對1#、2#螺栓分別進行室溫拉伸性能測試，結(jié)果見表2。從表2可看出，斷裂螺栓的斷后伸長率偏低，抗拉強度和屈服強度均滿足技術(shù)要求，但屈強比明顯偏高，這表明螺栓材料韌性較差，缺口敏感性高。

表2 斷裂螺栓的力學(xué)性能

2.5 斷口分析

圖5所示為斷裂螺栓斷口掃描電鏡照片。從圖5可看出，斷口表面大部分區(qū)域磨損嚴(yán)重，但低倍下仍可見明顯的扭轉(zhuǎn)形貌趨勢，表面1區(qū)、2區(qū)、3區(qū)均可見韌窩形貌，其中1區(qū)、2區(qū)韌窩具有明顯的扭轉(zhuǎn)方向特征，3區(qū)呈等軸韌窩形貌，且為終斷區(qū)，由此判斷螺栓斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過載斷裂。從低倍全貌照片中（見圖5a）可看出，終斷區(qū)（3區(qū)）并非位于螺栓軸心位置處，說明螺栓斷裂過程中存在扭轉(zhuǎn)受力不均的問題，可能是因安裝不對中而使螺栓發(fā)生卡塞所導(dǎo)致。

圖5 斷口掃描電鏡形貌

3 分析討論

1）斷裂螺栓的化學(xué)成分滿足GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》對0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼的要求，強度滿足技術(shù)要求，但屈強比偏高，伸長率偏低，說明材料韌性較差。另外，從斷裂螺栓的微觀組織中可見沿晶界分布的δ鐵素體，通常認為鋼的斷裂韌度與微觀組織中δ鐵素體的含量成反比，在進行冶煉及熱加工過程中，應(yīng)盡量避免δ鐵素體的生成[2-4]。大量文獻研究表明，將0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼中的Cr含量控制在下限， Ni 含量控制在中上限，能夠更好地控制組織中的δ鐵素體含量[5-7]，而在本文螺栓的化學(xué)成分中Ni元素含量明顯偏低，接近于下限。

2）斷裂螺栓斷口表面潔凈，呈亮灰色，無明顯腐蝕特征，整體可見扭轉(zhuǎn)型塑性變形特征。進一步對斷口進行微觀觀察可看出，起裂區(qū)及擴展區(qū)均可見具有一定的扭轉(zhuǎn)變形特征的韌窩形貌，終斷區(qū)則為等軸形韌窩形貌，表明螺栓斷裂為扭轉(zhuǎn)型過載斷裂[8]?？v向剖開的螺母螺牙也存在明顯的擠壓磨損特征，表明螺栓斷裂之前存在咬死的情況。在拆卸過程中螺牙表面較為干澀，對螺牙內(nèi)搜集的少量殘留物進行能譜分析發(fā)現(xiàn)，螺牙內(nèi)殘留物的主要成分為Fe、O、Al、Si、Mo、Ca元素，以及少量K、Ti、Mn、Mg元素，未見Ni、Cu、Ag等元素，進一步說明螺栓在安裝拆卸過程中可能存在未涂抹常見的Ni基、Cu基、Ag基防咬劑的情況。

4 結(jié)束語

綜上所述，螺栓斷裂性質(zhì)為扭轉(zhuǎn)過載斷裂，組織中網(wǎng)狀δ鐵素體的存在也加速了螺栓的過載斷裂，建議在后續(xù)安裝和拆卸過程中嚴(yán)格執(zhí)行相關(guān)規(guī)程，并考慮涂抹合適的防咬劑，以降低螺栓咬死的風(fēng)險。同時，可考慮通過調(diào)整螺栓熱處理工藝來提高螺栓性能。