前言

某緊固管接件螺母發(fā)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15000件。研究人員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(fā)生。

一、 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。

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。

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(qū)域為瞬斷區(qū)，該區(qū)域呈韌窩特征，裂紋源位于瞬斷區(qū)的對側，即螺母內壁；瞬斷區(qū)以外的區(qū)域主要呈沿晶特征，靠近內壁邊緣可見少量異物。

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。

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。

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。

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。

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。

二、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(qū)，增大了材料的晶間腐蝕敏感性，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(huán)境中存在含有硫和氯元素的腐蝕性介質，環(huán)境介質滲入螺母內壁并發(fā)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(qū)，使材料發(fā)生晶間腐蝕開裂。

三、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(fā)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(yōu)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。

作者：呂淵

單位：上海材料研究所有限公司

來源：《理化檢驗-物理分冊》2024年第9期