郭 強(qiáng)

（北京機(jī)械設(shè)備研究所，北京 100854）

0 引言

沉淀硬化型不銹鋼05Cr17Ni4Cu4Nb是在鐵素體不銹鋼Cr17的基礎(chǔ)上發(fā)展而來(lái)的，其含碳量低，含鉻量高，主要由馬氏體和少量鐵素體組成。該不銹鋼通過(guò)時(shí)效產(chǎn)生的細(xì)小、彌散分布含Cu等沉淀相提高力學(xué)性能，具有強(qiáng)度和硬度高、塑韌性良好、耐蝕性優(yōu)良和加工性好等特點(diǎn)[1-4]。

目前，05Cr17Ni4Cu4Nb已逐漸替代低合金高強(qiáng)度鋼，廣泛應(yīng)用在高強(qiáng)度緊固件等各類工業(yè)產(chǎn)品當(dāng)中[5-6]。高強(qiáng)度鋼斷裂行為歷來(lái)是海洋工程、船舶、汽車和航天等工業(yè)部門重點(diǎn)關(guān)注的問(wèn)題，特別是高強(qiáng)度緊固件，對(duì)于裝備的安全服役存在嚴(yán)重的潛在隱患，嚴(yán)重者可能會(huì)導(dǎo)致災(zāi)難性后果，造成不可估量的損失[7]。由于05Cr17Ni4Cu4Nb耐蝕性較好，在自然環(huán)境中腐蝕速率較慢，很少發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂等延遲斷裂行為。所以，05Cr17Ni4Cu4Nb斷裂行為研究多集中于由熱處理不當(dāng)造成的斷裂[8-14]，而在產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中發(fā)生延遲斷裂的報(bào)道相對(duì)較少，且在自然環(huán)境服役中產(chǎn)生典型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的研究更是鮮有報(bào)道。目前為止，05Cr17Ni4Cu4Nb緊固件環(huán)境損傷造成延遲斷裂行為研究尚未見(jiàn)報(bào)道。

熱帶海洋大氣環(huán)境具有高溫、高濕、高鹽霧、頻繁干濕交替等環(huán)境特點(diǎn)，大部分金屬材料達(dá)到了ISO 12944規(guī)定的腐蝕等級(jí)CX級(jí)（極端腐蝕等級(jí)），產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕等局部腐蝕更加顯著。隨著我國(guó)南海島礁等低緯度熱帶海洋地區(qū)不斷開(kāi)發(fā)利用，比我國(guó)大陸沿海腐蝕性更加嚴(yán)酷的環(huán)境適應(yīng)性問(wèn)題逐漸暴露。某電器產(chǎn)品采用的05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓已在熱帶、亞熱帶、溫帶等沿海地區(qū)長(zhǎng)期服役，最長(zhǎng)已服役超過(guò)15 a，從未發(fā)生延遲斷裂。而在該型產(chǎn)品相同結(jié)構(gòu)中，在低緯度島礁大氣環(huán)境中服役半年，一些螺栓陸續(xù)發(fā)生斷裂。

本研究通過(guò)對(duì)比我國(guó)其他海洋大氣環(huán)境的同型緊固件腐蝕行為，對(duì)于螺栓低緯度熱帶海洋環(huán)境延遲斷裂機(jī)理進(jìn)行研究，分析材料、環(huán)境和結(jié)構(gòu)與應(yīng)力腐蝕之間的聯(lián)系，探討裝配結(jié)構(gòu)局部腐蝕對(duì)材料環(huán)境損傷的危害及預(yù)防措施。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀檢查

螺栓的宏觀斷口形貌見(jiàn)圖1。裂紋位于螺柱中間，螺栓斷口由2層平直斷面構(gòu)成，即裂紋主要由1條主裂紋和1條二次裂紋組成，說(shuō)明裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)分叉。圖1b中斷口右下方為瞬斷區(qū)，左側(cè)為裂紋源，裂紋由左向右的方向逐漸擴(kuò)展。

圖1 斷裂螺栓斷口宏觀形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the broken bolt

整個(gè)斷口平直，邊緣無(wú)塑性變形，屬于脆性斷裂特征。雖然斷口表面被深褐色腐蝕產(chǎn)物覆蓋，腐蝕產(chǎn)物與斷口之間附著力低、易脫落，清洗后露出光潔的斷口，說(shuō)明腐蝕產(chǎn)物不是螺栓斷口腐蝕產(chǎn)生。

1.2 斷口微觀檢查

采用掃描電鏡對(duì)螺栓斷口進(jìn)行微觀觀察，形貌如圖2所示。斷面經(jīng)清理后表面潔凈，只有少量腐蝕產(chǎn)物殘留；斷口表面可見(jiàn)光滑的晶粒，說(shuō)明該斷口為沿晶斷口。斷口中晶粒未被腐蝕，進(jìn)一步證實(shí)斷口表面較厚的腐蝕產(chǎn)物并非斷口腐蝕產(chǎn)生，而是由裝配結(jié)構(gòu)中螺栓緊固的低合金鋼的腐蝕產(chǎn)物沉積形成。

圖2 螺栓斷口微觀形貌Fig.2 Micro morphology of the facture of the broken bolt

對(duì)晶粒表面附著的腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，結(jié)果表明，腐蝕產(chǎn)物中主要含有腐蝕性離子Cl-，可見(jiàn)氯化物是造成腐蝕的主要介質(zhì)。

將二次裂紋形成的斷面從主斷面上拉斷，人為斷口主要為韌窩形貌（圖3）。同時(shí)，在垂直于斷口的區(qū)域截取沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，試樣斷口也同樣為韌窩斷口形貌。這說(shuō)明螺栓本身韌性較好。

圖3 人為斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of artificial damaged fracture

1.3 截面金相組織

分別從同批次和不同批次螺栓相同位置、沿?cái)嗔崖菟ǖ臄嗫谥行奈恢每v向截取金相試樣，經(jīng)打磨、拋光和苦味酸化學(xué)腐蝕后，采用金相顯微鏡進(jìn)行組織分析，結(jié)果如圖4所示。斷裂螺栓金相組織主要為針狀馬氏體和鐵素體，無(wú)夾雜物，與相同、不同批次的螺栓金相組織相同。在斷裂螺栓的斷口附近可見(jiàn)大量的微觀二次裂紋，二次裂紋呈樹(shù)枝狀分布，從斷口向四周擴(kuò)散（圖4a、圖4b）。

圖4 螺栓金相組織Fig.4 Metallographic structures of the bolts

1.4 硬度測(cè)試

分別從同批次和不同批次的螺栓相同位置、沿?cái)嗔崖菟ǖ臄嗫谥行奈恢每v向截取試樣，進(jìn)行顯微硬度測(cè)試，結(jié)果見(jiàn)表1。結(jié)果表明，螺栓硬度值相近，符合GB/T 1220—2007的技術(shù)要求。

表1 螺栓顯微測(cè)試結(jié)果Table1 Hardness test resultsof bolts

1.5 力學(xué)性能測(cè)試

將斷裂螺栓的螺桿加工成拉伸試驗(yàn)件（拉伸速率為1×10-5s-1）進(jìn)行拉伸試驗(yàn)。由結(jié)果可知，斷裂螺栓的抗拉強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度分別為1310、1195 MPa，延伸率和斷面收縮率分別為13.5%、64.0%，符合GB/T 1220—2007中的力學(xué)性能要求。

1.6 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)

為進(jìn)一步證明螺栓應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的敏感性，將相同熱處理和機(jī)加工的雙懸臂梁（DCB）試樣在3.5%NaCl（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同）溶液中進(jìn)行應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)。結(jié)果表明，DCB試樣在60 d內(nèi)無(wú)裂紋萌生，說(shuō)明05Cr17Ni4Cu4Nb鋼在中性3.5%NaCl溶液中應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性較低。

1.7 成分分析

采用直讀光譜法對(duì)螺栓的主要化學(xué)成分進(jìn)行測(cè)試，其化學(xué)成分符合GB/T 1220—2007要求。

2 分析與討論

2.1 斷裂原因分析

根據(jù)上述試驗(yàn)結(jié)果，斷裂螺栓金相組織正常，化學(xué)成分、硬度、力學(xué)性能等均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，且與其他批次或同批次螺栓相同，說(shuō)明斷裂螺栓材料本身不存在缺陷，開(kāi)裂的原因不是材料及熱處理造成的。

經(jīng)分析、計(jì)算裝配結(jié)構(gòu)和加載力矩，螺栓所受的拉應(yīng)力遠(yuǎn)低于屈服強(qiáng)度，該螺栓不是過(guò)載斷裂。宏觀斷口表明螺栓斷裂形式為典型的脆性斷裂，斷裂螺栓具有沿晶斷口、樹(shù)枝狀裂紋等典型脆性斷口特征，只有應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂符合該斷裂特征。所以，由此可判斷該螺栓在低緯度熱帶島礁環(huán)境中發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

通過(guò)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂試驗(yàn)證實(shí)，裸露的螺栓在加載狀態(tài)下不會(huì)出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，由此說(shuō)明螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂與裝配結(jié)構(gòu)、使用環(huán)境有關(guān)。該裝配結(jié)構(gòu)為螺栓連接Q345鋼板，如圖5所示。螺栓垂直于水平面，該結(jié)構(gòu)容易引起積水及腐蝕性離子聚集。對(duì)比我國(guó)其他熱帶地區(qū)以及亞熱帶、溫帶等地區(qū)使用的同批次螺栓，未發(fā)現(xiàn)螺栓出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的情況，說(shuō)明低緯度熱帶島礁中嚴(yán)酷使用環(huán)境是造成螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的原因之一。

圖5 05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程原理圖Fig.5 Schematic diagram of stress corrosion cracking process of the 05Cr17Ni4Cu4Nb bolt

2.2 使用工況對(duì)比分析

將其他地區(qū)長(zhǎng)期使用的相同裝配結(jié)構(gòu)打開(kāi)檢查發(fā)現(xiàn)，螺栓連接結(jié)構(gòu)中未發(fā)現(xiàn)嚴(yán)重的縫隙腐蝕現(xiàn)象，螺栓連接的低合金鋼板腐蝕相對(duì)較輕，螺栓上沒(méi)有較明顯的腐蝕產(chǎn)物，并且可輕松拆卸。而在低緯度熱帶島礁環(huán)境中相同裝配結(jié)構(gòu)的縫隙腐蝕較為嚴(yán)重。斷裂螺栓斷口表面附著大量的腐蝕產(chǎn)物，且易發(fā)生脫落，螺栓表面也沒(méi)有發(fā)生點(diǎn)蝕，說(shuō)明低合金鋼腐蝕后大量的腐蝕產(chǎn)物在水溶液的作用下，流淌并附著在斷口表面，形成較厚的銹層。這說(shuō)明縫隙內(nèi)部水溶液較多、腐蝕性離子濃度較高。

低緯度熱帶島礁環(huán)境相對(duì)于我國(guó)其他海洋大氣環(huán)境，常年處于較高的溫度、濕度、鹽霧濃度和頻繁干濕交替的作用下，而且受到季節(jié)的影響較大。在臺(tái)風(fēng)季，潤(rùn)濕時(shí)間和鹽霧沉降量陡然增加。在頻繁的降水和暴曬、鹽霧沉降的作用下，縫隙結(jié)構(gòu)更容易產(chǎn)生積水和腐蝕性離子的聚集，從而造成縫隙腐蝕形成的局部腐蝕結(jié)構(gòu)的腐蝕性越來(lái)越嚴(yán)酷。

2.3 應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂過(guò)程分析

螺栓受力結(jié)構(gòu)如圖5所示。工件處于水平狀態(tài)，而螺栓承受垂直于水平面的拉力。由于工件為低合金鋼，螺栓電極電位較高，兩者形成電偶腐蝕的結(jié)構(gòu)，工件為陽(yáng)極，而螺栓為陰極。螺栓和工件之間的螺紋縫隙易形成閉塞的縫隙腐蝕結(jié)構(gòu)，形成自催化酸化的局部腐蝕環(huán)境，逐漸積聚高濃度腐蝕性粒子和強(qiáng)酸性的腐蝕環(huán)境，它比大氣腐蝕環(huán)境腐蝕性更強(qiáng)，將會(huì)加劇和促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂萌生和擴(kuò)展。

螺栓頭底部與結(jié)構(gòu)件之間的間隙較大，Cl-很容易進(jìn)入螺栓縫隙中。相對(duì)于其他海洋環(huán)境，在低緯度島礁環(huán)境中頻繁的降水和暴曬，大量氯化物不斷沉積，造成縫隙內(nèi)聚集的Cl-濃度越來(lái)越高，長(zhǎng)期處于積水或濕潤(rùn)狀態(tài)，縫隙內(nèi)部不斷加速腐蝕。

在腐蝕初期，螺紋縫隙口部首先發(fā)生腐蝕，工件腐蝕產(chǎn)物將縫隙口部逐漸阻塞，縫隙內(nèi)部O2耗盡，形成閉塞的氧濃差腐蝕原電池?？p隙內(nèi)形成封閉的局部腐蝕環(huán)境（圖5）。隨著氯化物的沉積和封閉縫隙內(nèi)部電中性的作用下，Cl-不斷進(jìn)入縫隙內(nèi)部，所以縫隙內(nèi)Cl-濃度不斷增加；Fe2+水解，產(chǎn)生大量的H+，縫隙內(nèi)部pH值不斷降低，在縫隙內(nèi)部形成高濃度Cl-和強(qiáng)酸性的局部腐蝕環(huán)境。在高濃度的Cl-和低pH值作用下，低合金鋼不斷加速腐蝕，形成較深的蝕坑。

縫隙內(nèi)局部強(qiáng)酸性溶液中H+得到電子以H原子形式滲透到螺栓表面缺陷處，在晶界彌散物或析出相釘扎或團(tuán)聚形成H2或H原子沿著晶界遷移，團(tuán)聚形成H2促進(jìn)裂紋的萌生和擴(kuò)展。在拉應(yīng)力作用下，裂紋尖端吸附的H原子和H2，導(dǎo)致裂紋不斷擴(kuò)展。隨著裂紋長(zhǎng)度的增加，H促進(jìn)裂紋擴(kuò)展速率不斷增加，導(dǎo)致氫致開(kāi)裂型應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生。裂紋在擴(kuò)展過(guò)程中會(huì)釋放勢(shì)能形成二次裂紋（分叉），即樹(shù)枝狀裂紋，主裂紋繼續(xù)擴(kuò)展。在裂紋擴(kuò)展過(guò)程中和斷裂后，工件產(chǎn)生的腐蝕產(chǎn)物也會(huì)流淌到裂紋并沉積覆蓋，腐蝕產(chǎn)物轉(zhuǎn)化過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生H，也增加了裂紋的擴(kuò)展速率。在拉應(yīng)力作用下，最終使螺栓完全斷裂。

2.4 預(yù)防措施

為了避免螺栓連接結(jié)構(gòu)發(fā)生電偶腐蝕、縫隙腐蝕以及應(yīng)力腐蝕，在螺栓鏈接結(jié)構(gòu)中可采用絕緣和隔離措施。其中，采用密封膠等進(jìn)行濕裝配，能夠防止連接結(jié)構(gòu)縫隙積水和Cl-富集，預(yù)防電偶腐蝕和縫隙腐蝕，讓螺栓縫隙不會(huì)產(chǎn)生腐蝕性環(huán)境，從而防止應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的發(fā)生。

3 結(jié)論

1）05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓斷裂機(jī)理為應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

2）相對(duì)于我國(guó)其他地區(qū)的海洋環(huán)境，低緯度熱帶島礁環(huán)境具有高鹽霧沉降率和頻繁的干濕交替等特點(diǎn)，05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓鏈接結(jié)構(gòu)易發(fā)生電偶腐蝕和縫隙腐蝕，形成的閉塞酸性局部腐蝕環(huán)境，進(jìn)而導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。

3）采用濕裝配的方法可有效防止電偶腐蝕和縫隙腐蝕，從而預(yù)防應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂行為的發(fā)生。