M50螺栓是長期在海洋環(huán)境設(shè)備上服役的一種緊固件，因此要求其材料具有較高的強度和韌性，以及良好的耐腐蝕性能。M50螺栓常用材料為AF1410鋼，該材料的焊接性能良好，且經(jīng)過熱處理后，材料具有高強度、高韌性、良好的抗疲勞性能和耐應(yīng)力腐蝕性能，是一種可用于損傷容限設(shè)計的超高強度鋼。AF1410鋼適宜制造長壽命、高強度的結(jié)構(gòu)件及緊固件等重要受力件，其主要應(yīng)用在航空領(lǐng)域。某AF1410鋼螺栓在海洋環(huán)境下服役了13 a，按設(shè)計要求對其進行檢修，更換了90%的螺栓，其中有0.2%的螺栓發(fā)生斷裂，螺栓投入使用前經(jīng)過淬火+時效處理，表面鍍鉻后經(jīng)過充分去氫處理。筆者采用一系列理化檢驗方法對螺栓斷裂的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。 

1.   理化檢驗

1.1   宏觀觀察

斷裂螺栓的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：螺栓表面銹蝕嚴重，大部分區(qū)域均被棕褐色腐蝕產(chǎn)物覆蓋；斷裂位置為螺桿與螺帽的根部；斷口周圍未見塑性變形，斷口上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，在螺帽的端面還有部分區(qū)域保留有鍍層金屬；斷口裂紋源位于螺栓根部，并有多個臺階，裂紋由一側(cè)向另一側(cè)擴展，最后瞬斷區(qū)位于裂紋源的對側(cè)。根據(jù)斷口的宏觀特征推測，裂紋源部位不僅存在較大的應(yīng)力集中，而且還受到了一定的附加彎矩作用。 

圖  1  斷裂螺栓的宏觀形貌

螺栓墊圈宏觀形貌如圖2所示。由圖2可知：墊圈底面和上面的腐蝕程度有較大差異；墊圈底面部分區(qū)域全部銹蝕，其余部分沒有完全腐蝕，并殘留有鍍層金屬，墊圈上面已全部銹蝕；墊圈底面銹蝕特征與螺帽的端面一一對應(yīng)，推測墊圈底面是與螺帽接觸的一側(cè)，墊圈和螺帽的一側(cè)均保留有鍍層，說明螺帽與墊圈貼合緊密，被海水腐蝕的程度輕；墊圈底面存在銹蝕嚴重區(qū)域，說明貼合部位有縫隙。 

圖  2  螺栓墊圈宏觀形貌

1.2   化學(xué)成分分析

在斷裂螺栓上取樣，對試樣進行化學(xué)成分分析，在螺栓近表面處取試樣，對試樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學(xué)成分均符合技術(shù)要求，氣體含量較低。 

1.3   力學(xué)性能測試

沿斷裂螺栓軸向取兩組拉伸試樣，按照GB/T 228.1—2021 《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》對一組試樣進行常規(guī)的室溫拉伸試驗；對另一組試樣進行慢拉伸試驗，采用橫梁位移速率控制拉伸速率，屈服前至屈服結(jié)束的橫梁位移速率為0.5 mm/min，屈服結(jié)束后橫梁位移速率為2.5 mm/min，目的是通過慢拉伸的試驗方法驗證材料中是否含有氫元素。螺栓的力學(xué)性能測試結(jié)果如表2所示。由表2可知：慢拉伸試驗下試樣的抗拉強度低于常規(guī)拉伸試驗下試樣的抗拉強度，試樣的屈服強度和斷后伸長率與常規(guī)拉伸試驗基本相同，不同拉伸條件下試樣的力學(xué)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。說明螺桿部位材料沒有發(fā)生明顯吸氫現(xiàn)象，材料的力學(xué)性能符合設(shè)計要求。 

1.4   掃描電鏡（SEM）及能譜分析

利用掃描電鏡對螺栓斷口進行觀察，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知；清洗前，斷口表面附著大量的腐蝕產(chǎn)物，斷口形貌被完全覆蓋；采用特殊清洗方式清洗斷口，雖斷口表面仍有大量腐蝕產(chǎn)物，但局部斷口露出金屬色，裂紋源處和裂紋擴展區(qū)呈沿晶斷裂形貌。 

圖  3  螺栓斷口SEM形貌

對斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進行面掃描分析，結(jié)果如圖4所示。由圖4可知：腐蝕產(chǎn)物中存在O、Cl、S、Al、Mg等元素，其中Cl元素在局部區(qū)域呈聚集態(tài)分布，這些物質(zhì)主要來自海洋環(huán)境；而斷口上的Fe、Cr、Ni、Mo、Mn等元素則來源于螺栓材料基體。 

圖  4  斷口表面的腐蝕產(chǎn)物面掃描分析結(jié)果

對斷口表面的腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，分析位置如圖4（a）所示，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：腐蝕產(chǎn)物中硫離子、氯離子的含量較高。 

圖  5  腐蝕產(chǎn)物能譜分析結(jié)果

1.5   X射線衍射（XRD）分析

采用XRD對螺栓表面腐蝕產(chǎn)物進行分析，結(jié)果如圖6所示。由圖6可知：腐蝕產(chǎn)物主要為Cr1.89S3、Cr1.8Fe0.2FeS4、Fe3O4、FeS2、FeOCl化合物。 

圖  6  螺栓表面腐蝕產(chǎn)物XRD分析結(jié)果

1.6   二次質(zhì)譜分析

在靠近螺栓表面部位取樣，利用二次質(zhì)譜儀對試樣進行分析，結(jié)果如圖7所示。由圖7可知：譜圖亮度越高的區(qū)域，試樣表面氫離子富集的程度越高，在螺栓表層和近表層有氫離子富集。 

圖  7  螺栓表面二次質(zhì)譜分析結(jié)果

1.7   金相檢驗

在螺栓斷口裂紋源處沿軸向截取金相試樣，利用光學(xué)顯微鏡對其進行觀察，結(jié)果如圖8所示。由圖8可知：裂紋源位于腐蝕坑底部，裂紋由螺栓根部表面向內(nèi)部呈分叉方式擴展，裂紋兩側(cè)有腐蝕產(chǎn)物，裂紋沿晶界擴展，試樣顯微組織為回火馬氏體。 

圖  8  裂紋源處微觀形貌

裂紋源附近腐蝕麻坑的微觀形貌如圖9所示。由圖9可知：較深麻坑的深度為0.127 mm，麻坑底部有裂紋，裂紋沿晶擴展。 

圖  9  腐蝕麻坑的微觀形貌

2.   綜合分析

由上述理化檢驗結(jié)果可知：斷裂螺栓的材料和力學(xué)性能均符合設(shè)計要求。雖然螺栓的表面進行了鍍層防護處理，但是由于螺栓長期在海洋環(huán)境下使用，材料發(fā)生了電化學(xué)腐蝕[1]，導(dǎo)致螺栓表面產(chǎn)生銹蝕，形成的腐蝕產(chǎn)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等元素來源于海洋環(huán)境，Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Fe等元素來源于螺栓材料基體。螺栓基體發(fā)生了腐蝕，腐蝕產(chǎn)物主要為FeOCl、FeS2、Fe3O4、Cr1.89S3、Cr1.8Fe0.2FeS4化合物。海洋環(huán)境中的S2−和Cl−是引起螺栓表面銹蝕的主要腐蝕性介質(zhì)。螺栓是鐵基材料，在電化學(xué)作用下，F(xiàn)e元素失去電子形成Fe2+，F(xiàn)e2+與環(huán)境中的SO42−形成FeSO4，F(xiàn)eSO4進一步反應(yīng)生成FeS2、FeO、H2S、O2，F(xiàn)e2+與Cl－反應(yīng)生成FeOCl和H+。螺栓中富含Cr離子，在腐蝕反應(yīng)過程中可能與Fe離子發(fā)生置換反應(yīng)，產(chǎn)生富含Cr的腐蝕產(chǎn)物。在腐蝕產(chǎn)物的形成過程中可能形成H2S和H+，H+在腐蝕環(huán)境中得到電子進而生成氫原子，氫原子優(yōu)先選擇應(yīng)力比較高的區(qū)域富集，并擴散至基體內(nèi)部。電化學(xué)腐蝕過程中形成的H2S進一步促進了基體腐蝕。 

由螺栓斷口的宏觀和微觀形貌可知，該螺栓發(fā)生了脆性斷裂，裂紋源呈沿晶斷口特征形貌，裂紋由表面的腐蝕坑底部產(chǎn)生，并呈樹枝狀沿晶界擴展。結(jié)合金相檢驗結(jié)果，判斷裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋[2]。 

盡管螺栓在制造過程中經(jīng)過了充分的去氫處理，并且螺栓材料中氫元素含量較低。但螺栓表面存在氫元素富集現(xiàn)象，且富集的氫元素含量較高。說明螺栓長期在海洋中使用，其根部發(fā)生了點腐蝕，并釋放出氫離子，而螺栓的強度較高，螺栓的根部存在應(yīng)力集中，氫離子會在根部螺紋區(qū)域富集，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂。 

3.   結(jié)語

螺栓長期在潮濕的海洋環(huán)境中服役，導(dǎo)致其發(fā)生電化學(xué)腐蝕，螺栓表面形成點蝕坑，氫離子富集在螺栓的表層和次表層，最終導(dǎo)致螺栓發(fā)生氫致應(yīng)力腐蝕斷裂。

文章來源——材料與測試網(wǎng)