中冶检测认证（上海）有限公司,上海 201999

建筑中采用的玻璃幕墙结构需要通过大量拉索固定,某车站的拉索固定索锚具在使用过程中陆续出现开裂、锈蚀等问题,发生过两次拉索断裂现象。该车站位于沿海城市,该幕墙拉索于2012年张拉完成,2019年现场发现一根拉索开裂严重,后经全面检测,发现约20%的索锚具均存在裂纹（见图1）。

图 1索锚具开裂位置外观

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索锚具材料为316钢,其生产工艺为：下料→钻孔→固溶处理→精加工→热装配→压制→冷却→抛光→组装→清洁→包装→入库。其中固溶处理温度为1050~1150℃,保温2h后水冷。索锚具压制温度为350~400℃,采用感应加热装置。笔者采用一系列理化检验方法分析了索锚具开裂的原因,以避免该类问题再次发生。

1. 理化检验

1.1 宏观观察

开裂索锚具的宏观形貌如图2所示。由图2可知：索锚具深孔端部存在沿轴向长裂纹,长度约为213mm；裂纹位于索锚具端头处,开口较大,裂纹内部呈深红色,裂纹另一端较细长,呈断续阶跃延伸特征,裂纹整体沿伸展方向可见锈蚀斑点；索锚具表面存在多处锈蚀斑点及微小裂纹。

图 2开裂索锚具的宏观形貌

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将索锚具沿裂纹打开,断口的宏观形貌如图3所示。由图3可知：索锚具内表面存在明显拉索挤压痕迹,断口表面呈暗红色,锈蚀严重；近外表面处存在较多台阶,呈多源起裂特征,同时断口隐约可见放射线扩展纹路,由外表面向内表面发散,表明外表面为该裂纹起源处；断口附近未见明显塑性变形现象。

图 3断口宏观形貌

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1.2 化学成分分析

在开裂索锚具上取样,对试样进行化学成分分析,结果如表1所示。由表1可知：开裂索锚具的化学成分符合ASTM A276—2017 《不锈钢棒材和型材的标准规范》的要求,其中C元素质量分数接近标准要求的上限。

Table 1.开裂索锚具的化学成分分析结果

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1.3 力学性能测试

在索锚具螺纹段位置截取拉伸试样,试样直径为12.5mm,对试样进行拉伸试验,结果如表2所示。由表2可知：开裂索锚具的力学性能符合ASTM A276—2017的要求。

Table 2.开裂索锚具的力学性能测试结果

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在索锚具外表面、1/2厚度及内表面位置取样,对试样进行硬度测试,结果如表3所示。由表3可知：索锚具材料硬度较为均匀,无明显差异。

Table 3.索锚具硬度测试结果

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1.4 扫描电镜（SEM）及能谱分析

在裂纹断口及外表面位置取样,将试样清洗后置于SEM下观察,结果如图4所示。由图4可知：裂纹近外表面可见较多台阶沿索锚具轴向分布,裂纹源呈沿晶特征,且附有大量腐蚀产物；扩展区以沿晶扩展形貌为主,且附有较多腐蚀产物；断口近内表面形貌以沿晶扩展为主,附有大量腐蚀产物；索锚具外表面近断口处可见较多分叉裂纹呈沿晶扩展特征,表面有腐蚀产物。

图 4裂纹断口及外表面SEM形貌

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对外表面腐蚀产物和裂纹源锈蚀点进行能谱分析,结果如图5所示。由图5可知：外表面腐蚀产物中存在Cl、S等腐蚀性元素；锈蚀点中同样存在较多腐蚀性元素Cl。

图 5外表面腐蚀产物和裂纹源锈蚀点的能谱分析结果

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1.5 金相检验

在索锚具断口及外表面截取纵截面试样,并按GB/T 13298—2015 《金属显微组织检验方法》制备金相试样,将试样置于光学显微镜下观察,结果如图6所示。由图6可知：索锚具近心部显微组织为奥氏体+颗粒状碳化物；断口呈沿晶断裂形貌,且断口部分晶粒已脱落,断口下层的二次裂纹呈沿晶形貌延伸；裂纹由表面沿奥氏体晶界向基体内部扩展,且部分晶粒已剥落。

图 6索锚具断口及外表面的微观形貌

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根据GB/T 10561—2005 《钢中非金属夹杂物含量的测定 标准评级图显微检验法》对索锚具心部的非金属夹杂物进行评级,结果如表4所示。

Table 4.非金属夹杂物的评级结果

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近外表面金相试样的微观形貌如图7所示。由图7可知：白亮色链状碳化物沿奥氏体晶界析出；裂纹沿奥氏体晶界扩展,部分裂纹内还残留未掉落的白亮色碳化物。

图 7近外表面金相试样的微观形貌

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2. 综合分析

综合上述理化检验结果可知：索锚具的化学成分、力学性能均符合相关标准要求,索锚具材料的硬度较为均匀,无明显差异,其中C元素含量接近标准要求的上限。索锚具表面存在较多沿轴向分布的裂纹与锈蚀点,裂纹起源于索锚具外表面,裂纹均呈沿晶开裂特征。断口腐蚀较为严重,断口及外表面均存在Cl、S等腐蚀性元素。索锚具显微组织为奥氏体+颗粒状碳化物,碳化物沿奥氏体晶界呈连珠状析出,导致晶界弱化,裂纹由外表面沿晶界扩展,最终导致索锚具发生晶间腐蚀开裂。

索锚具显微组织中含有大量沿奥氏体晶界析出的碳化物,在晶界呈连珠状分布。结合索锚具的生产工艺,判断其固溶处理效果较差,使得C元素以M23C6（M为Fe、Cr等元素）形式沿晶界析出,造成晶界附近的碳、铬元素的含量急剧下降,在晶界上形成贫铬区。由于晶界钝态受到破坏,贫铬区易成为阳极区,而碳化物和处于钝态的晶粒成为阴极区。在腐蚀性介质中,晶界与晶粒形成活化-钝化微电池,该电池具有大阴极、小阳极的面积比,加速了晶界的腐蚀,从而导致索锚具形成晶间腐蚀裂纹并扩展[1]。

索锚具表面及裂纹断口处含有腐蚀性元素S、Cl。该索锚具服役于沿海城市,常年受海风及台风影响,潮湿的空气中含有氯离子,氯离子能优先选择性地吸附在不锈钢表面的氧化膜上,把氧原子挤掉,然后和氧化膜中的阳离子结合,形成可溶性氯化物,从而破坏不锈钢表面的钝化膜[2-3]。

3. 结论

索锚具的开裂形式为晶间腐蚀开裂,索锚具固溶处理效果不佳,沿晶界析出大量M23C6型碳化物,降低了索锚具的抗晶间腐蚀性能,在腐蚀性元素S、Cl的作用下,索锚具外表面萌生微裂纹,在外力作用下,裂纹沿晶界向内部扩展,最终导致索锚具发生开裂