导读：不锈钢螺栓却发生了严重锈蚀，什么原因会导致不锈钢锈蚀？本文对断裂试样进行了详细分析，并归纳出结论。
某制氢站巡检时发现储气球罐连接阀部位有氢气泄漏报警，工作人员对该部位8个螺栓进行紧固时，其中4个螺栓发生断裂。螺栓规格为M20×90。储气球罐承受的内压很小，约8kg/m2，使用时间不到5年。为了弄清螺栓断裂原因，选取其中两个（编号为1＃、2＃），对断裂原因进行探讨分析。两个螺栓宏观照片见图1，图2为螺栓断口宏观照片。
图1 断裂螺栓宏观形貌 | 图2 断口宏观形貌 |
一、化学成分分析
局部截取螺栓，测得两个螺栓的化学成分分析结果见表1，断裂螺栓材质类似于1Cr13Ni5Mn4不锈钢。
表1 螺栓化学成分Wt%
二、宏观观察
从图1宏观照片可以看出，1#、2#试样断裂均发生在无螺纹的光滑部位，该部位表面附着较多褐色锈蚀产物。两试样断口宏观照片见图2，可见断面较平坦，断口四周无塑性变形，属脆性断裂。图2中断面下部呈暗褐色，氧化程度较上部严重，应为早期断裂部位，断面上部颜色较浅，则为终断部位。
三、扫描电镜断口分析
1＃样断口经超声清洗后，断面均呈典型的沿晶断裂特征，见图3，局部还可见沿晶二次裂纹，见图4。宏观可见的断面暗褐色区域能谱成分分析见图5，含有明显的O、S元素。
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图3沿晶特征 | 图4 沿晶裂纹 |
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图5 断面暗褐色区域能谱分析 | ||||
侧向观察临近断口的螺杆表面，较高倍数下可见一些表面微裂纹及腐蚀坑，见图6、图7。腐蚀坑残留物能谱分析见图8，同样含有明显的O、S元素，与上述断面暗褐色区域成分类似，说明螺栓处于酸性腐蚀环境。
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图6 表面裂纹及腐蚀坑 | 图7 腐蚀坑 |
图8 腐蚀坑能谱分析 |
通过观察，2＃样断口特征与1＃样完全相同。
四、低倍检验及金相组织分析。
平行断口截取试样，对1＃试样作横向低倍酸蚀检验，可见螺杆心部有轻微疏松，见图9。齿面低倍酸洗后可见一些裂纹存在，见图10。
图9 截面低倍 | 图10 齿面低倍 |
图11 夹渣 | 图12 网络状裂纹 |
在断口附近截取金相纵截面和横截面试样进行磨制抛光，在抛光面上可见一些条状夹渣，见图11。断口附近可见一些网络状裂纹，见图12。
将金相纵截面试样经试剂浸蚀后，螺栓组织为奥氏体，见图13。网状裂纹均沿晶界扩展，见图14。
2＃样低倍检验和金相观察结果与1＃相同。
图13 基体组织 | 图14 裂纹附近组织 |
五、扫描电镜组织分析
电镜下网络状裂纹见图15，局部晶粒脱落，裂纹附近放大后，一些晶界嵌有腐蚀产物，见图16，能谱分析见图17。远离断口部位的高倍组织观察，可见晶界析出碳化物较多，局部呈网络状。晶界析出物能谱分析见图18，晶界Cr含量明显高于基体平均含量。
图15 网络状裂纹 | 图16 晶界腐蚀 |
图17 晶界腐蚀产物能谱
图18 基体晶界析出物能谱
2＃样高倍组织分析结果亦与1＃相同。
六、分析讨论
断口无明显塑性变形，断面基本垂直于静拉伸应力方向，且所受应力较小，故螺栓断裂为低应力脆断。断面为沿晶特征，且覆盖有大量氧化产物。侧面观察，也可见一些腐蚀坑及腐蚀产物存在，断裂部位正是锈蚀最严重的部位。抛光面及组织观察，裂纹呈树枝状，晶界亦可见腐蚀产物，局部晶粒脱落。断面、螺栓侧面及晶界腐蚀产物中，均含有明显的S元素。以上情况说明，螺栓断裂为酸性环境中的应力腐蚀开裂。
从高倍组织上观察可知，晶界析出较多Cr的碳化物，局部呈网络状。能谱分析表明，晶界Cr含量明显高于基体平均成分。晶界Cr的富集必然导致晶界附近基体组织贫Cr，从而大大降低晶界的抗腐蚀性能。
为了防止应力腐蚀开裂的发生，应当从环境、材料和拉应力三个方面入手。而拉应力尽管很小，但是无法避免。所以应减少或者消除环境的腐蚀性能，控制腐蚀介质的聚集。防止过多的夹杂物，提高材料的均匀性，对材料进行稳定化处理，使晶界Cr的碳化物溶解于基体中，或者为降低材料的含碳量，以及加入Nb、Ti等强碳化物元素，避免晶界形成Cr的碳化物，以防止晶界贫Cr而降低晶界抗腐蚀性能。
七、结论
螺栓断裂为应力腐蚀开裂。螺栓晶界大量Cr的碳化物析出导致晶界贫Cr，大大降低了晶界的抗腐蚀性能，在环境腐蚀介质及较低的拉应力共同作用下，产生应力腐蚀裂纹并不断扩展，最终导致螺栓整体断裂失效，而夹杂物的存在加剧了这一过程。可通过对材料均匀化处理及控制环境腐蚀介质的聚集等措施来防止。
