分享：17-4PH钢螺栓断裂原因

17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）钢具有高强度、高韧性，以及良好的成型性、可焊性、耐腐蚀性和高温性能等，广泛应用于航空航天、船舶、核工业、石油、化工、能源等前沿工业领域。该材料可用于制造耐磨、耐腐蚀、高强度的结构件，也可用于制造航空、船舶领域特殊要求的耐高温紧固件，例如传动装置、齿轮、螺栓，阀等[1]。17-4PH钢为马氏体沉淀硬化型不锈钢，其强度是通过固溶后马氏体相变，以及在380~650 ℃下时效作用，析出ε-Cu、NbC、M23C6等时效硬化相而产生沉淀硬化得到的，尤其ε-Cu相的析出对强度的影响最为显著。 

时效温度对17-4PH钢的性能具有重要影响，时效过程中，组织通常不发生显著的相变，而是过饱和的Cu元素析出。随着温度的升高，材料强度先升高后降低，当温度约为480 ℃时，强度最高。同时，时效时间对材料强度的影响趋势与时效温度的影响趋势一致，时效过程中，ε-Cu相逐步析出长大，在ε-Cu析出相尺寸和体积分数达到某一值时，材料强度达到峰值，之后随着时效温度的升高，强度下降，塑性和韧性提高。ε-Cu相的析出长大是热力学和扩散动力学共同控制的过程，因此时效时间对材料的性能也有显著影响，表现为高温短时时效与低温长时时效条件下，材料的性能相似[2]。 

某船用螺栓在海洋环境下使用2 a后发生断裂现象，断裂螺栓材料为17-4PH钢，笔者采用一系列理化检验方法对螺栓断裂的原因进行分析，以避免该类问题再次发生。 

1.   理化检验

1.1   宏观观察

断裂螺栓的宏观形貌如图1所示。由图1可知：螺栓断裂位置为杆部与螺纹相交位置起的第二螺纹牙处，断裂另一侧试样已丢失，断口整体未发现明显宏观变形，断口边缘光亮中部区域发暗且相对粗糙，隐约有沿箭头方向的放射状棱线。 

图  1  断裂螺栓的宏观形貌

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1.2   化学成分分析

对断裂螺栓进行化学成分分析，结果如表1所示。由表1可知：断裂螺栓的化学成分符合GB/T 1220—2007《不锈钢棒》的要求，但材料中的氢元素含量较高。 

Table  1.  断裂螺栓的化学成分分析结果

项目	质量分数
	C	P	S	Si	Mn	Cr	Ni	Cu	Nb	H
实测值	0.051	0.029	0.002	0.637	0.657	16.29	3.76	3.24	0.222	0.000 478，0.000 334
标准值	≤0.07	≤0.04	≤0.03	≤1.0	≤1.0	15.0~17.5	3.0~5.0	3.0~5.0	0.15~0.45	-

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1.3   力学性能测试

在断裂螺栓上分别截取纵向和横向拉伸、冲击试样，以及布氏硬度测试试样，试样的力学性能测试结果如表2所示。由表2可知：螺栓的抗拉强度和屈服强度满足标准GB/T 1220—2007对05Cr17Ni4Cu4Nb钢620 ℃时效处理的要求，但螺栓的断后伸长率和断面收缩率均低于标准GB/T 1220—2007对05Cr17Ni4Cu4Nb钢620 ℃时效处理的要求。 

Table  2.  断裂螺栓的力学性能测试结果

项目	取样方向	屈服强度/MPa	抗拉强度/MPa	断后伸长率%	断面收缩率%	冲击吸收能量/J	硬度/HBW
实测值	纵向	1 222，1 221，1 283	1 414，1 412，1 451	12.0，10.5，11.5	33，23，39	6.6，7.6，6.6	448，451，451
	横向	1 191，1 190	1 396，1 397	6.0，4.0	10，5	6.0，4.8，4.0
标准值		≥725	≥930	≥16	≥50	-	≥277

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1.4   扫描电镜（SEM）分析

将螺栓断口置于扫描电镜下观察，结果如图2所示。由图2可知：在第二螺纹牙根部近表面区域观察到放射状扩展棱线；将近表面区域放大，可见断口以沿晶特征为主，少量区域可观察到韧窝特征，在沿晶特征断口的晶面上可观察到呈鸡爪纹形态的撕裂特征[3-4]。 

图  2  螺栓断口SEM形貌

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1.5   金相检验

在断口起裂位置及附近取样，对试样进行金相检验，结果如图3所示。由图3可知：螺栓断口及附近的显微组织均为回火马氏体+少量残余奥氏体，断口附近可观察到锯齿状沿晶裂纹；按照GB/T 6394—2017《金属平均晶粒度测定方法》对断口及附近的晶粒进行评定，结果均为8级，未观察到粗大晶粒和不均匀晶粒形貌。 

图  3  螺栓断口及附近的微观形貌

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2.   综合分析

断裂螺栓的化学成分符合标准要求，但材料中H元素含量较高。断裂螺栓的抗拉强度、屈服强度、硬度满足标准要求，但其断后伸长率和断面收缩率低于标准要求。螺栓断口未发现明显宏观塑性变形，断口的微观形貌以沿晶特征为主，且沿晶界面上存在较多呈鸡爪纹形态的撕裂特征，该形貌呈典型氢脆断口形貌特征。断裂螺栓的晶粒度未发现明显异常，显微组织为回火马氏体+少量残余奥氏体，未观察到明显点状析出相。 

17-4PH钢的正常热处理工艺为：1 020~1 040 ℃固溶处理，然后经620 ℃时效处理。固溶的目的是将材料中的金属间化合物、碳化物、细小的铁素体等充分固溶在基体中，控制固溶温度和时间，可以得到规定的晶粒尺寸和板条马氏体[5-6]；时效处理的目的是将少量残余奥氏体充分转化成板条马氏体，并且从过饱和的板条马氏体中析出富铜面心立方结构的ε相、金属间化合物、NbC和M23C6。这些析出的细小点状强化相弥散分布在基体组织中，可以达到沉淀强化的目的。因此，17-4PH钢经过固溶+高温时效后的组织可以称为具有马氏体位向的回火索氏体[7]。 

根据断裂螺栓的金相检验结果可知，该螺栓在热处理过程中的时效温度远低于GB/T 1220—2007标准中规定的620 ℃，组织中保留了固溶后未来得及转变的残余奥氏体，残余奥氏体在使用过程中会缓慢发生马氏体相变，产生一定的组织应力，且断裂螺栓组织中未观察到经高温时效后析出的沉淀强化点状相。该螺栓表现为经过固溶和低温时效处理后高强度、低韧性的力学性能。 

综上分析，断裂螺栓的时效温度偏低，表现出了高强度、低韧性的力学性能，使得螺栓的氢脆敏感性增加，该螺栓的服役环境为海洋环境，在使用过程中存在一定浓度的H离子，在较高强度和H离子的综合作用下，螺栓发生了延迟氢脆断裂。 

3.   结论

螺栓的断裂性质为延迟氢脆断裂，断裂的原因是螺栓在热处理过程中时效温度过低，板条马氏体未充分转变成塑性和韧性综合性能较好的回火索氏体，在海洋环境的H离子作用下，最终导致螺栓发生延迟氢脆断裂

来源--材料与测试网