分享：M50螺栓断裂原因

M50螺栓是长期在海洋环境设备上服役的一种紧固件，因此要求其材料具有较高的强度和韧性，以及良好的耐腐蚀性能。M50螺栓常用材料为AF1410钢，该材料的焊接性能良好，且经过热处理后，材料具有高强度、高韧性、良好的抗疲劳性能和耐应力腐蚀性能，是一种可用于损伤容限设计的超高强度钢。AF1410钢适宜制造长寿命、高强度的结构件及紧固件等重要受力件，其主要应用在航空领域。某AF1410钢螺栓在海洋环境下服役了13 a，按设计要求对其进行检修，更换了90%的螺栓，其中有0.2%的螺栓发生断裂，螺栓投入使用前经过淬火+时效处理，表面镀铬后经过充分去氢处理。笔者采用一系列理化检验方法对螺栓断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂螺栓的宏观形貌如图1所示。由图1可知：螺栓表面锈蚀严重，大部分区域均被棕褐色腐蚀产物覆盖；断裂位置为螺杆与螺帽的根部；断口周围未见塑性变形，断口上覆盖有较多的腐蚀产物，在螺帽的端面还有部分区域保留有镀层金属；断口裂纹源位于螺栓根部，并有多个台阶，裂纹由一侧向另一侧扩展，最后瞬断区位于裂纹源的对侧。根据断口的宏观特征推测，裂纹源部位不仅存在较大的应力集中，而且还受到了一定的附加弯矩作用。 

图  1  断裂螺栓的宏观形貌

螺栓垫圈宏观形貌如图2所示。由图2可知：垫圈底面和上面的腐蚀程度有较大差异；垫圈底面部分区域全部锈蚀，其余部分没有完全腐蚀，并残留有镀层金属，垫圈上面已全部锈蚀；垫圈底面锈蚀特征与螺帽的端面一一对应，推测垫圈底面是与螺帽接触的一侧，垫圈和螺帽的一侧均保留有镀层，说明螺帽与垫圈贴合紧密，被海水腐蚀的程度轻；垫圈底面存在锈蚀严重区域，说明贴合部位有缝隙。 

图  2  螺栓垫圈宏观形貌

1.2   化学成分分析

在断裂螺栓上取样，对试样进行化学成分分析，在螺栓近表面处取试样，对试样进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分均符合技术要求，气体含量较低。 

1.3   力学性能测试

沿断裂螺栓轴向取两组拉伸试样，按照GB/T 228.1—2021 《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法》对一组试样进行常规的室温拉伸试验；对另一组试样进行慢拉伸试验，采用横梁位移速率控制拉伸速率，屈服前至屈服结束的横梁位移速率为0.5 mm/min，屈服结束后横梁位移速率为2.5 mm/min，目的是通过慢拉伸的试验方法验证材料中是否含有氢元素。螺栓的力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：慢拉伸试验下试样的抗拉强度低于常规拉伸试验下试样的抗拉强度，试样的屈服强度和断后伸长率与常规拉伸试验基本相同，不同拉伸条件下试样的力学性能均符合SAE AMS 6533C:2020 Steel,Welding Wire 2.0Cr-10Ni-14Co-1.0Mo-(0.13-0.17C) Vacuum Melted,Environment Controlled Packaging要求。说明螺杆部位材料没有发生明显吸氢现象，材料的力学性能符合设计要求。 

1.4   扫描电镜（SEM）及能谱分析

利用扫描电镜对螺栓断口进行观察，结果如图3所示。由图3可知；清洗前，断口表面附着大量的腐蚀产物，断口形貌被完全覆盖；采用特殊清洗方式清洗断口，虽断口表面仍有大量腐蚀产物，但局部断口露出金属色，裂纹源处和裂纹扩展区呈沿晶断裂形貌。 

图  3  螺栓断口SEM形貌

对断口表面的腐蚀产物进行面扫描分析，结果如图4所示。由图4可知：腐蚀产物中存在O、Cl、S、Al、Mg等元素，其中Cl元素在局部区域呈聚集态分布，这些物质主要来自海洋环境；而断口上的Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等元素则来源于螺栓材料基体。 

图  4  断口表面的腐蚀产物面扫描分析结果

对断口表面的腐蚀产物进行能谱分析，分析位置如图4（a）所示，结果如图5所示。由图5可知：腐蚀产物中硫离子、氯离子的含量较高。 

图  5  腐蚀产物能谱分析结果

1.5   X射线衍射（XRD）分析

采用XRD对螺栓表面腐蚀产物进行分析，结果如图6所示。由图6可知：腐蚀产物主要为Cr1.89S3、Cr1.8Fe0.2FeS4、Fe3O4、FeS2、FeOCl化合物。 

图  6  螺栓表面腐蚀产物XRD分析结果

1.6   二次质谱分析

在靠近螺栓表面部位取样，利用二次质谱仪对试样进行分析，结果如图7所示。由图7可知：谱图亮度越高的区域，试样表面氢离子富集的程度越高，在螺栓表层和近表层有氢离子富集。 

图  7  螺栓表面二次质谱分析结果

1.7   金相检验

在螺栓断口裂纹源处沿轴向截取金相试样，利用光学显微镜对其进行观察，结果如图8所示。由图8可知：裂纹源位于腐蚀坑底部，裂纹由螺栓根部表面向内部呈分叉方式扩展，裂纹两侧有腐蚀产物，裂纹沿晶界扩展，试样显微组织为回火马氏体。 

图  8  裂纹源处微观形貌

裂纹源附近腐蚀麻坑的微观形貌如图9所示。由图9可知：较深麻坑的深度为0.127 mm，麻坑底部有裂纹，裂纹沿晶扩展。 

图  9  腐蚀麻坑的微观形貌

2.   综合分析

由上述理化检验结果可知：断裂螺栓的材料和力学性能均符合设计要求。虽然螺栓的表面进行了镀层防护处理，但是由于螺栓长期在海洋环境下使用，材料发生了电化学腐蚀[1]，导致螺栓表面产生锈蚀，形成的腐蚀产物中主要含有O、S、Cl、Al、Mg，Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Fe等元素，其中O、S、Cl、Al、Mg等元素来源于海洋环境，Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Fe等元素来源于螺栓材料基体。螺栓基体发生了腐蚀，腐蚀产物主要为FeOCl、FeS2、Fe3O4、Cr1.89S3、Cr1.8Fe0.2FeS4化合物。海洋环境中的S2−和Cl−是引起螺栓表面锈蚀的主要腐蚀性介质。螺栓是铁基材料，在电化学作用下，Fe元素失去电子形成Fe2+，Fe2+与环境中的SO42−形成FeSO4，FeSO4进一步反应生成FeS2、FeO、H2S、O2，Fe2+与Cl－反应生成FeOCl和H+。螺栓中富含Cr离子，在腐蚀反应过程中可能与Fe离子发生置换反应，产生富含Cr的腐蚀产物。在腐蚀产物的形成过程中可能形成H2S和H+，H+在腐蚀环境中得到电子进而生成氢原子，氢原子优先选择应力比较高的区域富集，并扩散至基体内部。电化学腐蚀过程中形成的H2S进一步促进了基体腐蚀。 

由螺栓断口的宏观和微观形貌可知，该螺栓发生了脆性断裂，裂纹源呈沿晶断口特征形貌，裂纹由表面的腐蚀坑底部产生，并呈树枝状沿晶界扩展。结合金相检验结果，判断裂纹为应力腐蚀裂纹[2]。 

尽管螺栓在制造过程中经过了充分的去氢处理，并且螺栓材料中氢元素含量较低。但螺栓表面存在氢元素富集现象，且富集的氢元素含量较高。说明螺栓长期在海洋中使用，其根部发生了点腐蚀，并释放出氢离子，而螺栓的强度较高，螺栓的根部存在应力集中，氢离子会在根部螺纹区域富集，最终导致螺栓发生应力腐蚀断裂。 

3.   结语

螺栓长期在潮湿的海洋环境中服役，导致其发生电化学腐蚀，螺栓表面形成点蚀坑，氢离子富集在螺栓的表层和次表层，最终导致螺栓发生氢致应力腐蚀断裂。

文章来源——材料与测试网