不锈钢螺栓失效分析

摘要：螺栓作为紧固件的一种，广泛应用于各种机械设备和结构中。然而，在使用过程中，螺栓可能会出现失效的情况。本文通过对失效的不锈钢螺栓进行化学成分、金相组织及力学性能、断口形貌等一系列的分析，最终得出该沉淀硬化不锈钢螺栓的失效原因并提出改进建议和解决方案。

关键词：不锈钢螺栓   化学成分   金相组织   力学性能   断口形貌   失效分析

一、事件说明

船舶结构连接螺栓发生断裂。原螺栓为Φ48，材质为2Cr13马氏体不锈钢材料并且采用2Cr13材料制备的螺栓未出现过断裂。为进一步改善耐蚀性能，现采用材料0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢（17-4PH），尺寸为Φ36，采用新材料螺栓虽耐海水腐蚀性能虽得到提高，但发生断裂，现场图片如图1.1所示。测试分析沉淀硬化不锈钢螺栓的成分、组织及性能、断口形貌，分析断裂失效原因。

二、测试方法

2.1检测设备：

（1）日本Keyence VHX-600型超景深体视显微镜：观察宏观断口形貌；

（2）荷兰Philips XL-30W/TMP型扫描电子显微镜：断口形貌观察；

（3）德国蔡司Observer.A1m型金相显微镜：观察金相组织、夹杂物形态分布；

（4）德国Spectrolab型原子发射光谱仪：测定化学成分；

（5）时代试金HB-3000B-l型布氏硬度计：测定基体硬度；

（6）时代之峰TH-300型洛氏硬度计：测定基体硬度；

2.2检测方法：

查阅相关国家或行业颁发的相关技术标准，上述检测在以下相关技术标准的基础上进行测试分析：

（1）GB/T230.1；金属洛氏硬度试验

（2）GB/T228；金属材料室温拉伸试验法

（3）GB/T10561；钢中非金属夹杂物含量的测定

（4）GB/T4336；碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法

（5）GBT3098.6；紧固件机械性能 不锈钢螺栓、螺钉、螺柱和螺母

（6）GB/T9450；钢件渗碳淬火硬化层深度的测定与校核

（7）GB/T13298；金属显微组织检验方法

三、测试分析结果

3.1 化学成分

0Cr17Ni4Cu4Nb螺栓材料的化学成分如表3.1-1所示。

3.2 组织形貌

1、夹杂物形貌

图3.2-1为夹杂物形态，在螺栓中间部位存在断续链状夹杂物颗粒，其他部位多为离散点状夹杂物。

2、组织形貌

图3.2-2为螺栓横截面形貌，基体组织中存在大量铁素体，形状不规则。

图3.3-3为螺栓纵向形貌，基体组织中铁素体呈条状；螺栓在锻造过程中，铁素体协调变形，沿轧制方向呈纤维条状，在随后的热处理过程中残留下来。

从图3.2-4可以看出，在螺纹牙口处无形变流线沿螺纹牙表面轮廓分布，说明螺纹制造工艺为切削裂纹，非滚压螺纹。牙根部圆弧过渡不圆滑。螺纹为车削加工，非滚压螺纹，会降低螺栓的疲劳强度。

3、显微组织

基体组织为马氏体+纤维条状铁素体，如图3.2-5所示。

3.3 断口形貌

断口形貌特征为弯曲疲劳断裂：断口明显分为三个区域：裂纹源、扩展区，最终瞬断区，如图3.3-1所示。断口表面呈放射状，沿放射状的反方向为裂纹源，位于牙口根部；扩展区为近半圆形，呈灰暗色，扩展区面积较小，占整个断口面积约10%；瞬断区表面呈放射状，占整个断口面积约90%。扩展区较小，瞬断区较大，说明材料的韧性较差，阻碍裂纹扩展的能力不足，一旦疲劳裂纹萌生，在循环疲劳应力作用下快速断裂。只有一个疲劳裂纹源，呈典型的高应力集中、波动拉伸所导致的单向弯曲疲劳断口特征。

裂纹源区位于牙口根部，存在很小的疲劳挤压平台，如图3.3-2所示。裂纹萌生后，在疲劳循环应力作用下反复挤压摩擦，形成挤压平台。由于螺栓运行中主要承受拉应力状态，挤压平台非常小。

疲劳扩展区呈沿晶断裂；如图3.3-3所示

在这瞬断区呈沿晶断裂，在表面存在大量显微空洞，应该为铁素体块造成的；如图3.3-4所示。

3.4 硬度测试

螺栓硬度平均值为44.5HRC，远远大于技术要求≥28HRC，说明螺栓热处理工艺存在问题。螺栓强度高，但韧性差，容易发生脆性。

四、螺栓断裂原因分析

1、0Cr17Ni4Cu4Nb材料化学成分合乎标准；

2、组织为板条马氏体+铁素体；

3、螺栓在工作过程中存在不稳定的拉伸和冲击应力。同时在螺纹根部存在较大的应力集中，根部圆弧过渡不圆滑，进一步增加了应力集中系数，疲劳裂纹易于在螺纹根部萌生；

热处理工艺存在问题，螺栓硬度值远远大于技术要求。螺栓强度高，韧性不足，一旦裂纹萌生，在疲劳应力作用下，裂纹扩展速度快，在断口表面上最终瞬断区占整个断口的绝大部分。

五、建议和解决方案：

1、严格按照热处理工艺执行，性能指标检验符合技术要求；

2、鉴于0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢的热处理复杂，难于控制，而0Cr17Ni4Cu4Nb沉淀硬化不锈钢、2Cr13马氏体不锈钢都能满足其耐腐蚀性能，2Cr13生产厂家工艺成熟，建议采用2Cr13马氏体不锈钢材料制备螺栓，适当将螺栓尺寸36调整，降低工作应力，提高螺栓运行可靠性；

3、采用滚压工艺制备螺纹，改善其疲劳强度。

参考文献：

[1][304不锈钢螺栓腐蚀断裂研究]，化工管理，2014年18期.

[2][某平台断裂螺栓失效浅析]，中国石油和化工标准与质量]，2020年18期.