低纬度热带岛礁大气环境中高强度不锈钢螺栓断裂分析

郭 强

（北京机械设备研究所，北京 100854）

0 引言

沉淀硬化型不锈钢05Cr17Ni4Cu4Nb是在铁素体不锈钢Cr17的基础上发展而来的，其含碳量低，含铬量高，主要由马氏体和少量铁素体组成。该不锈钢通过时效产生的细小、弥散分布含Cu等沉淀相提高力学性能，具有强度和硬度高、塑韧性良好、耐蚀性优良和加工性好等特点[1-4]。

目前，05Cr17Ni4Cu4Nb已逐渐替代低合金高强度钢，广泛应用在高强度紧固件等各类工业产品当中[5-6]。高强度钢断裂行为历来是海洋工程、船舶、汽车和航天等工业部门重点关注的问题，特别是高强度紧固件，对于装备的安全服役存在严重的潜在隐患，严重者可能会导致灾难性后果，造成不可估量的损失[7]。由于05Cr17Ni4Cu4Nb耐蚀性较好，在自然环境中腐蚀速率较慢，很少发生应力腐蚀开裂等延迟断裂行为。所以，05Cr17Ni4Cu4Nb断裂行为研究多集中于由热处理不当造成的断裂[8-14]，而在产品结构中发生延迟断裂的报道相对较少，且在自然环境服役中产生典型应力腐蚀开裂的研究更是鲜有报道。目前为止，05Cr17Ni4Cu4Nb紧固件环境损伤造成延迟断裂行为研究尚未见报道。

热带海洋大气环境具有高温、高湿、高盐雾、频繁干湿交替等环境特点，大部分金属材料达到了ISO 12944规定的腐蚀等级CX级（极端腐蚀等级），产品结构中缝隙腐蚀、应力腐蚀等局部腐蚀更加显著。随着我国南海岛礁等低纬度热带海洋地区不断开发利用，比我国大陆沿海腐蚀性更加严酷的环境适应性问题逐渐暴露。某电器产品采用的05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓已在热带、亚热带、温带等沿海地区长期服役，最长已服役超过15 a，从未发生延迟断裂。而在该型产品相同结构中，在低纬度岛礁大气环境中服役半年，一些螺栓陆续发生断裂。

本研究通过对比我国其他海洋大气环境的同型紧固件腐蚀行为，对于螺栓低纬度热带海洋环境延迟断裂机理进行研究，分析材料、环境和结构与应力腐蚀之间的联系，探讨装配结构局部腐蚀对材料环境损伤的危害及预防措施。

1 试验过程与结果

1.1 断口宏观检查

螺栓的宏观断口形貌见图1。裂纹位于螺柱中间，螺栓断口由2层平直断面构成，即裂纹主要由1条主裂纹和1条二次裂纹组成，说明裂纹在扩展过程中出现分叉。图1b中断口右下方为瞬断区，左侧为裂纹源，裂纹由左向右的方向逐渐扩展。

图1 断裂螺栓断口宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the broken bolt

整个断口平直，边缘无塑性变形，属于脆性断裂特征。虽然断口表面被深褐色腐蚀产物覆盖，腐蚀产物与断口之间附着力低、易脱落，清洗后露出光洁的断口，说明腐蚀产物不是螺栓断口腐蚀产生。

1.2 断口微观检查

采用扫描电镜对螺栓断口进行微观观察，形貌如图2所示。断面经清理后表面洁净，只有少量腐蚀产物残留；断口表面可见光滑的晶粒，说明该断口为沿晶断口。断口中晶粒未被腐蚀，进一步证实断口表面较厚的腐蚀产物并非断口腐蚀产生，而是由装配结构中螺栓紧固的低合金钢的腐蚀产物沉积形成。

图2 螺栓断口微观形貌Fig.2 Micro morphology of the facture of the broken bolt

对晶粒表面附着的腐蚀产物进行能谱分析，结果表明，腐蚀产物中主要含有腐蚀性离子Cl-，可见氯化物是造成腐蚀的主要介质。

将二次裂纹形成的断面从主断面上拉断，人为断口主要为韧窝形貌（图3）。同时，在垂直于断口的区域截取冲击试样进行冲击试验，试样断口也同样为韧窝断口形貌。这说明螺栓本身韧性较好。

图3 人为断口微观形貌Fig.3 Micro morphology of artificial damaged fracture

1.3 截面金相组织

分别从同批次和不同批次螺栓相同位置、沿断裂螺栓的断口中心位置纵向截取金相试样，经打磨、抛光和苦味酸化学腐蚀后，采用金相显微镜进行组织分析，结果如图4所示。断裂螺栓金相组织主要为针状马氏体和铁素体，无夹杂物，与相同、不同批次的螺栓金相组织相同。在断裂螺栓的断口附近可见大量的微观二次裂纹，二次裂纹呈树枝状分布，从断口向四周扩散（图4a、图4b）。

图4 螺栓金相组织Fig.4 Metallographic structures of the bolts

1.4 硬度测试

分别从同批次和不同批次的螺栓相同位置、沿断裂螺栓的断口中心位置纵向截取试样，进行显微硬度测试，结果见表1。结果表明，螺栓硬度值相近，符合GB/T 1220—2007的技术要求。

表1 螺栓显微测试结果Table1 Hardness test resultsof bolts

1.5 力学性能测试

将断裂螺栓的螺杆加工成拉伸试验件（拉伸速率为1×10-5s-1）进行拉伸试验。由结果可知，断裂螺栓的抗拉强度、屈服强度分别为1310、1195 MPa，延伸率和断面收缩率分别为13.5%、64.0%，符合GB/T 1220—2007中的力学性能要求。

1.6 应力腐蚀开裂试验

为进一步证明螺栓应力腐蚀开裂的敏感性，将相同热处理和机加工的双悬臂梁（DCB）试样在3.5%NaCl（质量分数，下同）溶液中进行应力腐蚀开裂试验。结果表明，DCB试样在60 d内无裂纹萌生，说明05Cr17Ni4Cu4Nb钢在中性3.5%NaCl溶液中应力腐蚀开裂敏感性较低。

1.7 成分分析

采用直读光谱法对螺栓的主要化学成分进行测试，其化学成分符合GB/T 1220—2007要求。

2 分析与讨论

2.1 断裂原因分析

根据上述试验结果，断裂螺栓金相组织正常，化学成分、硬度、力学性能等均符合相关标准，且与其他批次或同批次螺栓相同，说明断裂螺栓材料本身不存在缺陷，开裂的原因不是材料及热处理造成的。

经分析、计算装配结构和加载力矩，螺栓所受的拉应力远低于屈服强度，该螺栓不是过载断裂。宏观断口表明螺栓断裂形式为典型的脆性断裂，断裂螺栓具有沿晶断口、树枝状裂纹等典型脆性断口特征，只有应力腐蚀开裂符合该断裂特征。所以，由此可判断该螺栓在低纬度热带岛礁环境中发生了应力腐蚀开裂。

通过应力腐蚀开裂试验证实，裸露的螺栓在加载状态下不会出现应力腐蚀开裂，由此说明螺栓发生应力腐蚀开裂与装配结构、使用环境有关。该装配结构为螺栓连接Q345钢板，如图5所示。螺栓垂直于水平面，该结构容易引起积水及腐蚀性离子聚集。对比我国其他热带地区以及亚热带、温带等地区使用的同批次螺栓，未发现螺栓出现应力腐蚀开裂的情况，说明低纬度热带岛礁中严酷使用环境是造成螺栓发生应力腐蚀开裂的原因之一。

图5 05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓应力腐蚀开裂过程原理图Fig.5 Schematic diagram of stress corrosion cracking process of the 05Cr17Ni4Cu4Nb bolt

2.2 使用工况对比分析

将其他地区长期使用的相同装配结构打开检查发现，螺栓连接结构中未发现严重的缝隙腐蚀现象，螺栓连接的低合金钢板腐蚀相对较轻，螺栓上没有较明显的腐蚀产物，并且可轻松拆卸。而在低纬度热带岛礁环境中相同装配结构的缝隙腐蚀较为严重。断裂螺栓断口表面附着大量的腐蚀产物，且易发生脱落，螺栓表面也没有发生点蚀，说明低合金钢腐蚀后大量的腐蚀产物在水溶液的作用下，流淌并附着在断口表面，形成较厚的锈层。这说明缝隙内部水溶液较多、腐蚀性离子浓度较高。

低纬度热带岛礁环境相对于我国其他海洋大气环境，常年处于较高的温度、湿度、盐雾浓度和频繁干湿交替的作用下，而且受到季节的影响较大。在台风季，润湿时间和盐雾沉降量陡然增加。在频繁的降水和暴晒、盐雾沉降的作用下，缝隙结构更容易产生积水和腐蚀性离子的聚集，从而造成缝隙腐蚀形成的局部腐蚀结构的腐蚀性越来越严酷。

2.3 应力腐蚀开裂过程分析

螺栓受力结构如图5所示。工件处于水平状态，而螺栓承受垂直于水平面的拉力。由于工件为低合金钢，螺栓电极电位较高，两者形成电偶腐蚀的结构，工件为阳极，而螺栓为阴极。螺栓和工件之间的螺纹缝隙易形成闭塞的缝隙腐蚀结构，形成自催化酸化的局部腐蚀环境，逐渐积聚高浓度腐蚀性粒子和强酸性的腐蚀环境，它比大气腐蚀环境腐蚀性更强，将会加剧和促进应力腐蚀开裂萌生和扩展。

螺栓头底部与结构件之间的间隙较大，Cl-很容易进入螺栓缝隙中。相对于其他海洋环境，在低纬度岛礁环境中频繁的降水和暴晒，大量氯化物不断沉积，造成缝隙内聚集的Cl-浓度越来越高，长期处于积水或湿润状态，缝隙内部不断加速腐蚀。

在腐蚀初期，螺纹缝隙口部首先发生腐蚀，工件腐蚀产物将缝隙口部逐渐阻塞，缝隙内部O2耗尽，形成闭塞的氧浓差腐蚀原电池。缝隙内形成封闭的局部腐蚀环境（图5）。随着氯化物的沉积和封闭缝隙内部电中性的作用下，Cl-不断进入缝隙内部，所以缝隙内Cl-浓度不断增加；Fe2+水解，产生大量的H+，缝隙内部pH值不断降低，在缝隙内部形成高浓度Cl-和强酸性的局部腐蚀环境。在高浓度的Cl-和低pH值作用下，低合金钢不断加速腐蚀，形成较深的蚀坑。

缝隙内局部强酸性溶液中H+得到电子以H原子形式渗透到螺栓表面缺陷处，在晶界弥散物或析出相钉扎或团聚形成H2或H原子沿着晶界迁移，团聚形成H2促进裂纹的萌生和扩展。在拉应力作用下，裂纹尖端吸附的H原子和H2，导致裂纹不断扩展。随着裂纹长度的增加，H促进裂纹扩展速率不断增加，导致氢致开裂型应力腐蚀开裂的发生。裂纹在扩展过程中会释放势能形成二次裂纹（分叉），即树枝状裂纹，主裂纹继续扩展。在裂纹扩展过程中和断裂后，工件产生的腐蚀产物也会流淌到裂纹并沉积覆盖，腐蚀产物转化过程中会产生H，也增加了裂纹的扩展速率。在拉应力作用下，最终使螺栓完全断裂。

2.4 预防措施

为了避免螺栓连接结构发生电偶腐蚀、缝隙腐蚀以及应力腐蚀，在螺栓链接结构中可采用绝缘和隔离措施。其中，采用密封胶等进行湿装配，能够防止连接结构缝隙积水和Cl-富集，预防电偶腐蚀和缝隙腐蚀，让螺栓缝隙不会产生腐蚀性环境，从而防止应力腐蚀开裂的发生。

3 结论

1）05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓断裂机理为应力腐蚀开裂。

2）相对于我国其他地区的海洋环境，低纬度热带岛礁环境具有高盐雾沉降率和频繁的干湿交替等特点，05Cr17Ni4Cu4Nb螺栓链接结构易发生电偶腐蚀和缝隙腐蚀，形成的闭塞酸性局部腐蚀环境，进而导致应力腐蚀开裂。

3）采用湿装配的方法可有效防止电偶腐蚀和缝隙腐蚀，从而预防应力腐蚀开裂行为的发生。