某緊固管接件螺母發(fā)生開裂現(xiàn)象,該螺母的材料為316不銹鋼,管道內(nèi)通介質(zhì)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(shí)出現(xiàn)開裂,總投入使用數(shù)量約為15 000件。筆者采用一系列理化檢驗(yàn)方法對(duì)該螺母進(jìn)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。 

1.   理化檢驗(yàn)

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(jī)械加工方法截取開裂處螺母,對(duì)開裂螺母進(jìn)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(xué)成分分析

在開裂螺母上取樣,對(duì)試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)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(yàn)

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(xué)顯微鏡下觀察,結(jié)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(jié)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?yàn)樗矓鄥^(qū),該區(qū)域呈韌窩特征,裂紋源位于瞬斷區(qū)的對(duì)側(cè),即螺母內(nèi)壁；瞬斷區(qū)以外的區(qū)域主要呈沿晶特征,靠近內(nèi)壁邊緣可見少量異物。 

圖  4  裂紋面的SEM形貌

對(duì)靠近內(nèi)壁邊緣的異物進(jìn)行能譜分析,結(jié)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(chǎn)物。 

圖  5  靠近內(nèi)壁邊緣異物的能譜分析結(jié)果

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

圖  6  裂紋面剖面的SEM形貌

對(duì)裂紋面上和二次裂紋內(nèi)的異物進(jìn)行能譜分析,結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：裂紋面上和二次裂紋內(nèi)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(chǎn)物。 

圖  7  裂紋面上和二次裂紋內(nèi)異物的能譜分析結(jié)果

將金相試樣置于掃描電鏡下觀察,結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：奧氏體晶界上可見點(diǎn)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(duì)奧氏體基體和析出相進(jìn)行能譜分析,結(jié)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(jié)果

2.   綜合分析

由上述理化檢驗(yàn)結(jié)果可知：開裂螺母的碳元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)要求,奧氏體不銹鋼中的碳元素含量過高會(huì)引起晶界富鉻碳化物析出,導(dǎo)致材料中晶界出現(xiàn)貧鉻區(qū),增大了材料的晶間腐蝕敏感性[1],同時(shí)降低了不銹鋼的力學(xué)性能。開裂起源于螺母內(nèi)壁,主要呈沿晶開裂特征,靠近內(nèi)壁處斷口可檢測(cè)到含有硫和氯元素的腐蝕產(chǎn)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(zhì),環(huán)境介質(zhì)滲入螺母內(nèi)壁并發(fā)生了腐蝕,形成沿晶裂紋。裂紋面上可見沿晶界擴(kuò)展的二次裂紋,裂紋內(nèi)存在含有硫、氯元素的腐蝕產(chǎn)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(huì)導(dǎo)致材料中晶界出現(xiàn)貧鉻區(qū),使材料發(fā)生晶間腐蝕開裂[2-3]。 

3.   結(jié)論與建議

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

建議選擇化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)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(guān)密封手段,避免滲入腐蝕性介質(zhì)。 

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