闸阀压盖螺栓断裂失效分析

刘佳鹏

摘 要：某化工厂聚丙烯车间一条闸阀压盖螺栓发生断裂，采用宏观检验、扫描电镜及能谱分析、金相检验等试验手段分析了该螺栓的断裂原因。结果表明：断裂是由于材料未经固溶处理，或固溶处理温度不高、时间较短，碳化物未经充分溶解，合金化程度较差，长期使用中造成晶界附近的金属贫铬，且在腐蚀介质中发生电化学反应，从而在较小的外力作用下发生晶间腐蚀断裂。

关键词：螺栓 断裂 晶间腐蚀 沿晶

中图分类号：TG157 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2015）02（b）-0038-01

断裂螺栓为某化工厂聚丙烯车间一条闸阀压盖螺栓，该螺栓使用温度200 ℃，压力1.8 MPa，介质为丙烯，该螺栓已在室外使用10年时间，使用时无振动。于2012年7月5日发现该螺栓断裂，断裂部位在螺栓中部光杆处。为查明该螺栓断裂原因，笔者对断裂的闸阀盖螺栓进行了检验和分析。

1 宏观检验

通过肉眼仔细观察断裂螺栓，发现该螺栓断口为斜断口，断口表面较粗糙，断口无明显塑性变形和机械擦碰伤，属宏观脆性断口[1]，表面被一层黄褐色产物覆盖。

2 扫描电镜及能谱分析

将螺栓断口用超声波设备清洗后置于扫描电镜下观察，发现断口表面微观形貌呈典型冰糖状沿晶断裂特征[2]，晶面平坦，有较强的立体感，见图1。断口表面局部区域存在明显的腐蚀痕迹和腐蚀产物，晶粒表面存在明显的台级条纹。

采用能谱仪分别对螺栓断口表面和纵向试样裂纹内部的腐蚀产物进行半定量元素分析，两个试样内的腐蚀产物内都可见腐蚀性元素O、S等，分别见图2。

3 金相检验

将螺栓采用机械加工的方法制成微观金相试块，将螺栓试样经王水侵蚀后观察，显微组织为等轴奥氏体，靠近断裂面的晶粒已经彼此分开，具有腐蚀特征。同时可以见到晶界上和晶粒内上分布着密集细小的碳化物，见图3。

4 讨论

通过以上对螺栓的综合分析：该螺栓晶界上和晶界内分布有细小的碳化物颗粒；断裂面具有明显的沿晶断裂特征；断口表面存在明显的腐蚀痕迹和腐蚀产物；腐蚀产物中含有较高水平的氧、硫等强腐蚀性元素，可以认为该螺栓断裂为晶间腐蚀断裂。

晶间腐蚀的机理是贫铬理论[3]，金相检验发现大量未溶碳化物，并沿晶界呈网状分布，说明该材料未经固溶处理，或固溶处理温度不高、时间较短，碳化物未经充分溶解，合金化程度较差[4]，而且，热处理温度低，铬扩散速度减慢，碳化铬沉淀加快，更加速了贫铬区的形成，同时，沿晶界分布的碳化铬会加剧晶界贫铬，如果铬含量降到12%（钝化所需极限铬含量）以下，贫铬区处于活化状态，则附近地区的金属中贫铬而成为小阳极，而含铬较高的晶粒本体成为大阳极，在存在电解质的情况下，则构成了电化学腐蚀的有利条件，从而造成严重的晶间腐蚀现象。

5 结论

综合以上分析认为，闸阀压盖螺栓断裂属于晶间腐蚀断裂。碳化物未充分溶解，并沿晶界呈网状分布，造成晶界附近贫铬，是产生晶间腐蚀的主要原因。

参考文献

[1] 孙智，江利，应鹏展.失效分析基础与应用[M].北京：机械工业出版社，2005：90-91.

[2] 孙茂才.金属力学性能[M].哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社，2005：83-84.

[3] 张宝宏，从文博，杨萍.金属电化学腐蚀与防护[M].北京：化学工业出版社，2005：83-86.

[4] 陈惠芬.金属学与热处理[M].北京：冶金工业出版社，2009：254-255.