M50螺栓是長期在海洋環境設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力腐蝕性能，是一種可用于損傷容限設計的超高強度鋼。AF1410鋼適宜制造長壽命、高強度的結構件及緊固件等重要受力件，其主要應用在航空領域。某AF1410鋼螺栓在海洋環境下服役了13 a，按設計要求對其進行檢修，更換了90%的螺栓，其中有0.2%的螺栓發生斷裂，螺栓投入使用前經過淬火+時效處理，表面鍍鉻后經過充分去氫處理。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，大部分區域均被棕褐色腐蝕產物覆蓋；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物，在螺帽的端面還有部分區域保留有鍍層金屬；斷口裂紋源位于螺栓根部，并有多個臺階，裂紋由一側向另一側擴展，最后瞬斷區位于裂紋源的對側。根據斷口的宏觀特征推測，裂紋源部位不僅存在較大的應力集中，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，推測墊圈底面是與螺帽接觸的一側，墊圈和螺帽的一側均保留有鍍層，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域，說明貼合部位有縫隙。 

圖  2  螺栓墊圈宏觀形貌

1.2   化學成分分析

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

1.3   力學性能測試

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，屈服前至屈服結束的橫梁位移速率為0.5 mm/min，屈服結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。螺栓的力學性能測試結果如表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拉伸試驗基本相同，不同拉伸條件下試樣的力學性能均符合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生明顯吸氫現象，材料的力學性能符合設計要求。 

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物，但局部斷口露出金屬色，裂紋源處和裂紋擴展區呈沿晶斷裂形貌。 

圖  3  螺栓斷口SEM形貌

對斷口表面的腐蝕產物進行面掃描分析，結果如圖4所示。由圖4可知：腐蝕產物中存在O、Cl、S、Al、Mg等元素，其中Cl元素在局部區域呈聚集態分布，這些物質主要來自海洋環境；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  斷口表面的腐蝕產物面掃描分析結果

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

圖  5  腐蝕產物能譜分析結果

1.5   X射線衍射（XRD）分析

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

圖  6  螺栓表面腐蝕產物XRD分析結果

1.6   二次質譜分析

在靠近螺栓表面部位取樣，利用二次質譜儀對試樣進行分析，結果如圖7所示。由圖7可知：譜圖亮度越高的區域，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  螺栓表面二次質譜分析結果

1.7   金相檢驗

在螺栓斷口裂紋源處沿軸向截取金相試樣，利用光學顯微鏡對其進行觀察，結果如圖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部呈分叉方式擴展，裂紋兩側有腐蝕產物，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

由上述理化檢驗結果可知：斷裂螺栓的材料和力學性能均符合設計要求。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境下使用，材料發生了電化學腐蝕[1]，導致螺栓表面產生銹蝕，形成的腐蝕產物中主要含有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境，Mn、Cr、Ni、Mo、Co、Fe等元素來源于螺栓材料基體。螺栓基體發生了腐蝕，腐蝕產物主要為FeOCl、FeS2、Fe3O4、Cr1.89S3、Cr1.8Fe0.2FeS4化合物。海洋環境中的S2−和Cl−是引起螺栓表面銹蝕的主要腐蝕性介質。螺栓是鐵基材料，在電化學作用下，Fe元素失去電子形成Fe2+，Fe2+與環境中的SO42−形成FeSO4，FeSO4進一步反應生成FeS2、FeO、H2S、O2，Fe2+與Cl－反應生成FeOCl和H+。螺栓中富含Cr離子，在腐蝕反應過程中可能與Fe離子發生置換反應，產生富含Cr的腐蝕產物。在腐蝕產物的形成過程中可能形成H2S和H+，H+在腐蝕環境中得到電子進而生成氫原子，氫原子優先選擇應力比較高的區域富集，并擴散至基體內部。電化學腐蝕過程中形成的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生，并呈樹枝狀沿晶界擴展。結合金相檢驗結果，判斷裂紋為應力腐蝕裂紋[2]。 

盡管螺栓在制造過程中經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，螺栓的根部存在應力集中，氫離子會在根部螺紋區域富集，最終導致螺栓發生應力腐蝕斷裂。 

3.   結語

螺栓長期在潮濕的海洋環境中服役，導致其發生電化學腐蝕，螺栓表面形成點蝕坑，氫離子富集在螺栓的表層和次表層，最終導致螺栓發生氫致應力腐蝕斷裂。

文章來源——材料與測試網