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S43100不鏽鋼（gāng）是引進於ASTM標準中的材料（liào），是一種馬氏體-鐵素體型（xíng）不鏽鋼，其特點是在保留鐵（tiě）素體不鏽鋼耐蝕性的同時，又具（jù）有馬氏體不鏽鋼的高強（qiáng）度，在工業上應用廣泛。一般螺栓使用（yòng）的材料為40CrNiMoA、42CrMo及12Cr13等，但由於材料在海水環境中的耐蝕性（xìng）不如S43100不鏽（xiù）鋼（gāng），因此在海水環境中的螺栓首（shǒu）選材料改為S43100不鏽鋼，但是S43100不鏽鋼的熱處理工藝製度非常嚴格，極易引起腐蝕脆裂。本文以斷裂的（de）S43100不鏽鋼螺栓為研究對象，分析（xī）造成螺栓斷裂的原因。

1.斷裂情況

某項目斷裂的S43100 不鏽鋼螺栓（shuān）為電渣重熔生產的鍛造棒料，規格（gé）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 ℃保溫後空冷至室（shì）溫。然後將試樣加工成（chéng）標距為30mm 、平行部（bù）分直徑6mm 的棒狀拉伸試樣，並（bìng）在RSA250 萬能試驗機上按照GB/T 228 —2002 《金屬材料室溫拉伸試驗（yàn）方（fāng）法》進行（háng）常溫拉伸試驗，其（qí）實測的力學性能與標準技術要求如（rú）表1 所示。

表1 S43100不（bú）鏽鋼力學性能

項（xiàng）目（mù）	標準	試樣（yàng）1	試樣2	試樣（yàng）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1所示，其斷裂部位位於螺杆與帶螺紋的（de）螺（luó）栓頭聯接處。

圖1 斷裂（liè）螺栓照片

2.斷裂原因（yīn）分析

該斷裂螺栓斷口清洗前，整個斷麵無明顯的剪切唇，螺栓斷口上存在較厚腐（fǔ）蝕產物。SEM/EDX 元素分析表明腐蝕產物中主要含有Fe 、Cr 、O 、C 和Cl 元素，還含少量S 、Si 元素，表明實（shí）際服役（yì）環境中含Cl - 等侵蝕性離子。

經過酸洗和用毛刷去除腐（fǔ）蝕（shí）產物後的斷口（kǒu）形貌（mào）如圖2所（suǒ）示。采用掃描電子顯微鏡（jìng）對去除腐蝕產物後的斷口的微觀特征（zhēng）進行了觀察，結果（guǒ）表明，斷裂螺栓斷（duàn）口呈現典型的沿晶斷裂特征，斷口呈現冰糖狀特征。

圖2 斷裂螺（luó）栓斷口形貌（mào）

圖3為S43100不鏽鋼熱處理後掃（sǎo）描電鏡SEM照片。由圖3可知，熱處理後的S43100不鏽鋼（gāng）以索氏體（tǐ）為（wéi）主，均布著呈塊狀的鐵素（sù）體，並且晶內和晶界彌（mí）散分布大量的碳化物且連續分布。

（a）

（b）

圖3 S43100不鏽鋼熱處理後的（de）SEM照片

另取3 件螺（luó）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（yīng）變速率為1.0 ×10 -6 s -1 ，在慢應（yīng）變速率拉（lā）伸應力腐（fǔ）蝕試驗機上按（àn）照標準GB/T15970.7 —2000 《金屬和合金的腐蝕（shí）應力腐蝕試驗第（dì）7 部分：慢應變（biàn）速率試驗》進行應力（lì）腐蝕敏感性（xìng）測試，其慢拉伸試驗（SSRT）結果列於表2。通常應力腐蝕（shí）敏感性位於0~1 之間，該值越大，材料的應力腐蝕敏感性就越高，由表（biǎo）2 可以看出，經過調質（zhì）處理後的（de）S43100 不鏽鋼均有不同程度的損失，而且離散型很大（dà），其中試樣6的（de）應力腐蝕敏感性最大，達到0.44 。

表2 S43100不鏽鋼慢拉伸試（shì）驗結果

項目	試（shì）樣4	試樣5	試樣6
抗拉強度/MPa	892	903	915
屈（qū）服強度/MPa	770	748	795
應力腐蝕敏感性	0.25	0.09	0.44

圖4為（wéi）試樣4經慢應變速率試驗後的斷口（kǒu）和截麵形貌。由（yóu）圖4可知（zhī）斷裂（liè）方式為脆性斷裂，沒有明顯的塑性變形，呈沿晶斷裂斷口特（tè）征，截麵形貌觀察（chá）表明試樣（yàng）的裂紋沿著晶界擴展，表明其（qí）斷裂屬性為應（yīng）力腐蝕開裂。

（a）斷口

（b）截麵

圖4 S43100不鏽鋼SSRT試驗後的斷（duàn）口和截麵形貌

S43100不鏽鋼需要經過熱（rè）處理才能（néng）得到相應的力學（xué）性能，但是此鋼在530℃左右回火時（shí），晶界上析出大量的含Cr碳化物，從而形成貧Cr區（qū），從（cóng）而降（jiàng）低了材料（liào）的耐蝕性。

3.改進措施

以（yǐ）往的S43100不鏽鋼螺栓技術要求的屈服強度為833MPa，但是近來國外壓縮（suō）機使用此材料螺栓時已經改為采用屈（qū）服強度為686MPa。鑒於S43100不鏽鋼在530℃附近有大量的含Cr碳（tàn）化物析出，降低材料的耐蝕性，根據國外經驗和以上的檢（jiǎn）驗結果，將S43100不鏽鋼螺（luó）栓的回火溫度改為600℃。

另取（qǔ）同（tóng）批（pī）螺栓鍛件6件，對其進行淬火：1020℃保溫後（hòu）油冷至200℃以下（xià）出（chū）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（qí）中3件試（shì）樣進行力（lì）學性能檢測，其結果（guǒ）為：試樣7屈（qū）服（fú）強度806MPa、試樣（yàng）8屈服強（qiáng）度811MPa和試（shì）樣9屈服強度794MPa。將剩餘3件（jiàn）試（shì）樣進行（háng）應（yīng）力腐蝕敏感性檢驗，其慢拉伸試驗（SSRT）結果均為0，說明此時S43100不鏽鋼的應力腐蝕敏感性很（hěn）小，然後對（duì）編號為8的試樣進行斷口掃描檢驗，如圖5所示，無明顯（xiǎn）腐（fǔ）蝕斷（duàn）裂情況出現。