前言

 

某紧固管接件螺母发生开裂现象，该螺母的材料为316不锈钢，管道内通介质为压缩空气。开裂螺母于2020年8月投入使用，在2023年7月检修时出现开裂，总投入使用数量约为15000件。研究人员采用一系列理化检验方法对该螺母进行分析，查明了螺母开裂的原因，以避免该类问题再次发生。

 

一、 理化检验

 

1.1 宏观观察

 

开裂螺母所在曲轴的宏观形貌如图1所示，采用机械加工方法截取开裂处螺母，对开裂螺母进行清洗，开裂螺母清洗前后的宏观形貌如图2所示。由图2可知：开裂面较为平整，未见明显塑性变形，裂纹面局部颜色偏暗，为氧化或腐蚀所致。

 

 

1.2 化学成分分析

 

在开裂螺母上取样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：试样的碳元素含量不符合ASTM A480/A480M-23b  《不锈钢和耐热平板、薄板和带材的一般要求》的要求。

 

 

1.3 金相检验

 

在裂纹面的剖面上截取金相试样，将试样镶嵌、磨抛、腐蚀处理后置于光学显微镜下观察，结果如图3所示。由图3可知：试样的显微组织为奥氏体+晶界析出相。

 

 

1.4 扫描电镜（SEM）及能谱分析

 

在螺母裂纹面上取样，将试样清洗后置于扫描电子显微镜下观察，结果如图4所示。由图4可知：裂纹面左下角较为粗糙的区域为瞬断区，该区域呈韧窝特征，裂纹源位于瞬断区的对侧，即螺母内壁；瞬断区以外的区域主要呈沿晶特征，靠近内壁边缘可见少量异物。

 

 

对靠近内壁边缘的异物进行能谱分析，结果如图5所示。由图5可知：异物中氧元素含量较高，且存在较高含量的腐蚀性元素硫和氯，说明异物为含有硫、氯元素的腐蚀产物。

在裂纹面的剖面上截取试样，将试样经镶嵌、磨抛后置于SEM下观察，结果如图6所示。由图6可知：裂纹面上可见很多沿晶界扩展的二次裂纹，裂纹内可见致密异物。

对裂纹面上和二次裂纹内的异物进行能谱分析，结果如图7所示。由图7可知：裂纹面上和二次裂纹内的异物中氧元素含量较高，且均存在较高含量的腐蚀性元素硫和氯，说明异物为含有硫元素和氯元素的腐蚀产物。

将金相试样置于扫描电镜下观察，结果如图8所示。由图8可知：奥氏体晶界上可见点状的析出相，部分晶界上可见连成线以及块状的析出相。

分别对奥氏体基体和析出相进行能谱分析，结果如图9所示。由图9可知：析出相中铬元素含量偏高，说明析出相为富铬碳化物。

 

 

二、综合分析

 

由上述理化检验结果可知：开裂螺母的碳元素含量高于标准要求，奥氏体不锈钢中的碳元素含量过高会引起晶界富铬碳化物析出，导致材料中晶界出现贫铬区，增大了材料的晶间腐蚀敏感性，同时降低了不锈钢的力学性能。开裂起源于螺母内壁，主要呈沿晶开裂特征，靠近内壁处断口可检测到含有硫和氯元素的腐蚀产物，说明螺母的使用环境中存在含有硫和氯元素的腐蚀性介质，环境介质渗入螺母内壁并发生了腐蚀，形成沿晶裂纹。裂纹面上可见沿晶界扩展的二次裂纹，裂纹内存在含有硫、氯元素的腐蚀产物。开裂螺母的显微组织为奥氏体+晶界析出相，析出相中铬元素含量偏高，判断析出相为富铬碳化物。富铬碳化物的析出会导致材料中晶界出现贫铬区，使材料发生晶间腐蚀开裂。

 

三、结论与建议

 

在服役过程中，开裂螺母内壁渗入了腐蚀性介质，在腐蚀性介质与螺母紧固应力的共同作用下，形成了沿晶微裂纹，裂纹逐渐向材料内部扩展，最终导致螺母发生了应力腐蚀开裂，晶界上析出富铬碳化物使晶界贫铬，导致材料的抗晶间腐蚀能力降低。

 

建议选择化学成分符合标准要求的原材料，并优化热处理工艺，避免富铬碳化物析出。在螺母周边采用相关密封手段，避免渗入腐蚀性介质。

 

作者：吕渊

 

单位：上海材料研究所有限公司

 

来源：《理化检验-物理分册》2024年第9期

来源：理化检验物理分册

关键词： 螺母开裂