分享：紧固管接件螺母开裂原因

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15 000件。笔者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。 

1.   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。 

图  1  开裂螺母所在曲轴的宏观形貌

图  2  开裂螺母清洗前后的宏观形貌

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。 

图  3  开裂螺母的显微组织形貌

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。 

图  4  裂纹面的SEM形貌

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。 

图  5  靠近内壁边缘异物的能谱分析结果

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。 

图  6  裂纹面剖面的SEM形貌

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。 

图  7  裂纹面上和二次裂纹内异物的能谱分析结果

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。 

图  8  金相试样的SEM形貌

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。 

图  9  奥氏体基体和析出相的能谱分析结果

2.   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[1],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[2-3]。 

3.   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。 

文章来源——材料与测试网