陆 (上海材料研究所 上海市工程材料应用 慧 与评价重点实验室,上海 200437)

摘 要:某船用柴油机螺柱发生断裂,利用宏观观察、化学成分分析、金相检验、力学性能测试、 断口分析等方法对其断裂原因进行分析。结果表明:由于杆身部位接触了腐蚀介质,产生了点腐 蚀,因此在拉应力的作用下,由点腐蚀坑引发了应力腐蚀开裂,最终导致螺柱发生断裂。

关键词:螺柱;点腐蚀;应力腐蚀;断裂 中图分类号:TG115.2;TB304 文献标志码:B 文章编号:1001-4012(2022)12-0055-0

某船用柴油机螺柱的宏观形貌如图1所示,其 材料为40CrNiMoA 钢,在锻造后对该钢进行调制 处理。该螺柱在运行了约1000h后发生断裂,为 了查明其断裂原因,笔者采用一系列理化检验方法 对螺柱进行了分析,以防止该类事故再次发生。 图1 某船用柴油机螺柱的宏观形貌

1 理化检验

1.1 宏观观察

对断裂螺柱进行宏观观察,发现该螺柱断裂于杆 身部位。螺柱的一侧断口已被破坏,截取另一侧断口 试样,断口宏观形貌如图2所示,由图2可知:断口靠 近外缘一圈有明显的锈蚀色,内圈断口呈金属色。 图2 断口宏观形貌

1.2 化学成分分析

在断裂螺柱上取样,并进行化学成分分析,结果 如表1所示。从分析结果来看,其化学成分符合技 术要求。

1.3 在 力 断 学 裂 性

螺 能 柱 测 上 试 取样,对其进行力学性能测试,结 果如表2所示。从分析结果来看,其力学性能符合 技术要求。

1.4 断口分析

将断裂螺柱的断口进行清洗后,置于扫描电子 显微镜(SEM)下观察,发现内圈断口区域的 SEM 形貌呈韧窝特征(见图3)。外圈断口区域的 SEM 形貌如图4所示,可见其表面被腐蚀产物所覆盖,无 法观察断口的原始形貌。 截取断口剖面试样,经镶嵌、抛光后,置于光学 显微镜下观察,可见其断裂面及平行于断裂面的裂 纹都呈现树杈状特征,为典型的应力腐蚀裂纹特征 (见图5)。

将 断 口 剖 面 试 样 置 于 SEM 下 观 察,其 SEM 形貌如图6 所 示,可 见 应 力 腐 蚀 裂 纹 起 源 处 有 较 明显的点腐蚀坑。采用能谱仪对腐蚀坑中的腐蚀 产物进行化学元素定性及半定量分析,结果如图7 所示。

2 综合分析

该断裂螺柱的化学成分和力学性能均符合企业 标准中对40CrNiMoA 钢的技术要求。 由断口的宏观形貌可知,断口靠近外缘一圈有明 显的锈蚀颜色,内圈断口呈新鲜金属色。这种断口颜 色明显呈新旧之分的现象是在2个不同阶段形成的: 第一阶段是杆身遭到腐蚀,腐蚀裂纹扩展;第二阶段 是当腐蚀裂纹扩展到一定深度,剩余截面积承受不了 螺柱的拉力而发生了瞬断。根据断口剖面的SEM 形 貌及能谱分析结果可知,其腐蚀裂纹呈树杈状,为典 型的应力腐蚀裂纹特征[1],应力腐蚀裂纹起源于杆身 表面的点腐蚀坑,对点腐蚀坑的能谱分析结果可知, 该螺柱接触的介质中含有腐蚀性元素硫和氯。

综合上述分析结果,断裂螺柱在杆身部位接触 了含有硫和氯元素的介质,于杆身表面产生了点腐 蚀,在螺柱拉应力的作用下,由点腐蚀坑引发了应力 腐蚀开裂[2],当裂纹扩展到一定深度,剩余截面积无 法承受拉力时,发生了瞬断。

3 结论

螺柱的断裂原因是杆身部位接触了腐蚀性介 质,产生了点腐蚀,在拉应力的作用下由点腐蚀坑引 发了应力腐蚀开裂,最终导致断裂。

来源：材料与测试网