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S43100不鏽鋼是引進於ASTM標（biāo）準中的材（cái）料，是一種馬氏體-鐵素體型不鏽（xiù）鋼，其特點是在保留鐵素體（tǐ）不（bú）鏽鋼耐（nài）蝕性的同時（shí），又具有馬氏體不（bú）鏽鋼的高強度，在工業上應用（yòng）廣泛。一般螺栓使用的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由於材（cái）料在海水環（huán）境中的耐蝕性不如S43100不（bú）鏽（xiù）鋼，因此在海水環境中的螺栓首（shǒu）選材料改為S43100不鏽鋼，但是（shì）S43100不鏽鋼的（de）熱處理工藝製度非常（cháng）嚴格，極易引起腐蝕（shí）脆裂（liè）。本文以斷裂（liè）的S43100不鏽鋼螺栓為研究對象，分析造成螺（luó）栓斷裂的原因。

1.斷裂情況

某項目斷裂的S43100 不鏽鋼（gāng）螺栓為電渣重熔生產的鍛造棒料，規格為φ40mm×300mm ，其化學成分：w C =0.137% 、w Mn =0.15% 、w Si =0.58% 、w S =0.006% 、w P =0.024% 、w Cr =16.88% 、w Ni =2.32% 。螺栓（shuān）的熱處理工藝為淬火：1020 ℃保溫後油冷至200 ℃以下出爐空冷至室溫，回火：530 ℃保溫後空冷至（zhì）室溫。然後將試（shì）樣加工成標距為30mm 、平行部分直徑6mm 的棒（bàng）狀拉伸（shēn）試樣，並在RSA250 萬能試驗機上按照GB/T 228 —2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》進行常（cháng）溫拉伸（shēn）試驗，其實測的力學性能與標準技術要求如表1 所示（shì）。

表1 S43100不鏽鋼力學性能

項（xiàng）目	標準	試樣1	試（shì）樣2	試樣3
抗拉強度/MPa	931	1021	1026	1012
屈服強度/MPa	833	872	887	892

實際產品斷裂的雙頭螺栓，如圖（tú）1所示，其斷（duàn）裂部位位於（yú）螺杆與帶螺紋的螺栓頭聯接處。

圖1 斷裂螺栓照片

2.斷裂原因分析

該斷裂（liè）螺栓斷（duàn）口清洗前，整（zhěng）個斷麵（miàn）無明顯的剪切唇，螺栓斷口上存在較厚腐蝕產物。SEM/EDX 元素分析表明腐蝕產物（wù）中主要含有（yǒu）Fe 、Cr 、O 、C 和Cl 元（yuán）素，還含少量S 、Si 元（yuán）素，表明實際服役環境中含（hán）Cl - 等侵蝕性離子。

經過酸洗和用毛刷（shuā）去除腐蝕產物後（hòu）的斷口形貌如圖（tú）2所示。采用掃描電子顯微鏡（jìng）對去除腐蝕產物後的（de）斷口的微觀特征進行了觀察，結果表明，斷（duàn）裂螺栓（shuān）斷口呈（chéng）現典型的沿晶斷裂特征，斷口呈現冰（bīng）糖狀特征（zhēng）。

圖2 斷裂螺栓斷口形貌

圖3為S43100不鏽鋼熱處理後掃描電鏡SEM照片。由圖3可知，熱處理後的S43100不鏽鋼以索氏體為主，均布著呈塊狀的鐵素體，並且晶內和晶（jīng）界彌（mí）散（sàn）分布大（dà）量的碳化物且連續分布。

（a）

（b）

圖3 S43100不鏽鋼（gāng）熱處理後的SEM照片

另取3 件螺栓，將其加工成標距為35mm 、平行部分直徑5mm 的棒狀拉伸試樣，以應變（biàn）速（sù）率為1.0 ×10 -6 s -1 ，在慢應（yīng）變速率拉伸應力腐（fǔ）蝕試驗（yàn）機上按照標準GB/T15970.7 —2000 《金屬和合金的腐蝕應力腐蝕試驗第7 部分：慢應變速率試驗》進（jìn）行應力腐蝕敏（mǐn）感性測試，其慢拉伸試驗（SSRT）結果列於表（biǎo）2。通常（cháng）應力腐蝕敏感性位於0~1 之間，該值越大，材料的應（yīng）力腐蝕敏感性就越高，由表（biǎo）2 可以（yǐ）看出，經過調質處理後的S43100 不鏽鋼均有不同程度的損失，而且離散型很大，其中試樣6的應力腐蝕敏感性最大，達到0.44 。

表（biǎo）2 S43100不鏽（xiù）鋼慢拉伸試驗（yàn）結果

項目	試樣4	試樣5	試樣6
抗拉強（qiáng）度/MPa	892	903	915
屈服強度/MPa	770	748	795
應力腐蝕敏感性	0.25	0.09	0.44

圖4為試樣4經（jīng）慢（màn）應變速率試驗後的斷口和截麵形貌。由（yóu）圖4可知斷裂方式為脆性斷裂，沒有（yǒu）明顯的塑性變形，呈沿晶斷裂斷口特（tè）征，截麵形貌觀察表明試樣的裂（liè）紋沿著晶界擴展，表明其斷裂屬性為應力腐蝕（shí）開裂。

（a）斷（duàn）口

（b）截麵

圖4 S43100不鏽鋼SSRT試驗後的斷口和截麵形貌

S43100不鏽（xiù）鋼需要經過（guò）熱處理才能得到相（xiàng）應的力學性能，但是此鋼在530℃左（zuǒ）右回火（huǒ）時，晶界上析出大（dà）量的含Cr碳化物，從而形（xíng）成貧Cr區，從而降低（dī）了（le）材料（liào）的耐蝕性。

3.改進措施

以往的S43100不鏽鋼螺栓技（jì）術要求的屈（qū）服強度為833MPa，但是近來國外壓縮機使用（yòng）此材料螺栓時已經改為采用屈服強度為686MPa。鑒於S43100不鏽鋼在530℃附（fù）近（jìn）有大量的含Cr碳化物析出，降低材料（liào）的（de）耐蝕性（xìng），根據國外（wài）經驗和以上的檢驗結果，將S43100不鏽鋼螺栓的回火溫度改為600℃。

另取同批螺栓鍛件6件，對其進行淬火：1020℃保溫（wēn）後油冷至200℃以下出爐空冷至室溫，回火：600℃保溫後空冷至室溫的熱處理工藝，取其中3件試樣進行力學性能檢測，其結果為：試樣7屈服（fú）強度806MPa、試樣8屈（qū）服強度（dù）811MPa和試樣9屈服強度794MPa。將剩餘3件試樣（yàng）進行應力腐蝕敏感（gǎn）性檢驗，其慢拉伸（shēn）試驗（SSRT）結（jié）果均為0，說明此時S43100不鏽（xiù）鋼的應（yīng）力腐蝕敏感性很小，然後對編號為8的（de）試樣進行斷口（kǒu）掃描檢驗，如圖5所示，無明顯腐（fǔ）蝕斷裂情況出現。