17-4PH（0Cr17Ni4Cu4Nb）鋼具有高強度、高韌性，以及良好的成型性、可焊性、耐腐蝕性和高溫性能等，廣泛應用于航空航天、船舶、核工業(yè)、石油、化工、能源等前沿工業(yè)領域。該材料可用于制造耐磨、耐腐蝕、高強度的結構件，也可用于制造航空、船舶領域特殊要求的耐高溫緊固件，例如傳動裝置、齒輪、螺栓，閥等。17-4PH鋼為馬氏體沉淀硬化型不銹鋼，其強度是通過固溶后馬氏體相變，以及在380~650℃下時效作用，析出ε-Cu、NbC、M23C6等時效硬化相而產生沉淀硬化得到的，尤其ε-Cu相的析出對強度的影響最為顯著。
時效溫度對17-4PH鋼的性能具有重要影響，時效過程中，組織通常不發(fā)生顯著的相變，而是過飽和的Cu元素析出。隨著溫度的升高，材料強度先升高后降低，當溫度約為480℃時，強度最高。同時，時效時間對材料強度的影響趨勢與時效溫度的影響趨勢一致，時效過程中，ε-Cu相逐步析出長大，在ε-Cu析出相尺寸和體積分數(shù)達到某一值時，材料強度達到峰值，之后隨著時效溫度的升高，強度下降，塑性和韌性提高。ε-Cu相的析出長大是熱力學和擴散動力學共同控制的過程，因此時效時間對材料的性能也有顯著影響，表現(xiàn)為高溫短時時效與低溫長時時效條件下，材料的性能相似。
某船用螺栓在海洋環(huán)境下使用2a 后發(fā)生斷裂現(xiàn)象，斷裂螺栓材料為17-4PH鋼，研究人員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(fā)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：螺栓斷裂位置為桿部與螺紋相交位置起的第二螺紋牙處，斷裂另一側試樣已丟失，斷口整體未發(fā)現(xiàn)明顯宏觀變形，斷口邊緣光亮中部區(qū)域發(fā)暗且相對粗糙，隱約有沿箭頭方向的放射狀棱線。
1.2 化學成分分析
對斷裂螺栓進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：斷裂螺栓的化學成分符合GB/T 1220—2007《不銹鋼棒》的要求，但材料中的氫元素含量較高。
1.3 力學性能測試
在斷裂螺栓上分別截取縱向和橫向拉伸、沖擊試樣，以及布氏硬度測試試樣，試樣的力學性能測試結果如表2所示。由表2可知：螺栓的抗拉強度和屈服強度滿足標準GB/T 1220—2007對05Cr17Ni4Cu4Nb鋼620℃時效處理的要求，但螺栓的斷后伸長率和斷面收縮率均低于標準GB/T 1220—2007對05Cr17Ni4Cu4Nb鋼620℃時效處理的要求。
1.4 掃描電鏡 (SEM) 分析
將螺栓斷口置于掃描電鏡下觀察，結果如圖2所示。由圖2可知：在第二螺紋牙根部近表面區(qū)域觀察到放射狀擴展棱線；將近表面區(qū)域放大，可見斷口以沿晶特征為主，少量區(qū)域可觀察到韌窩特征，在沿晶特征斷口的晶面上可觀察到呈雞爪紋形態(tài)的撕裂特征。
1.5 金相檢驗
在斷口起裂位置及附近取樣，對試樣進行金相檢驗，結果如圖3所示。由圖3可知：螺栓斷口及附近的顯微組織均為回火馬氏體+少量殘余奧氏體，斷口附近可觀察到鋸齒狀沿晶裂紋；按照GB/T 6394—2017《金屬平均晶粒度測定方法》對斷口及附近的晶粒進行評定，結果均為8級，未觀察到粗大晶粒和不均勻晶粒形貌。
2 綜合分析
斷裂螺栓的化學成分符合標準要求，但材料中H元素含量較高。斷裂螺栓的抗拉強度、屈服強度、硬度滿足標準要求，但其斷后伸長率和斷面收縮率低于標準要求。螺栓斷口未發(fā)現(xiàn)明顯宏觀塑性變形，斷口的微觀形貌以沿晶特征為主，且沿晶界面上存在較多呈雞爪紋形態(tài)的撕裂特征，該形貌呈典型氫脆斷口形貌特征。斷裂螺栓的晶粒度未發(fā)現(xiàn)明顯異常，顯微組織為回火馬氏體+ 少量殘余奧氏體，未觀察到明顯點狀析出相。
17-4PH鋼的正常熱處理工藝為：1020~1040℃固溶處理，然后經620℃時效處理。固溶的目的是將材料中的金屬間化合物、碳化物、細小的鐵素體等充分固溶在基體中，控制固溶溫度和時間，可以得到規(guī)定的晶粒尺寸和板條馬氏體；時效處理的目的是將少量殘余奧氏體充分轉化成板條馬氏體，并且從過飽和的板條馬氏體中析出富銅面心立方結構的ε相、金屬間化合物、NbC和M23C6。這些析出的細小點狀強化相彌散分布在基體組織中，可以達到沉淀強化的目的。因此，17-4PH鋼經過固溶+ 高溫時效后的組織可以稱為具有馬氏體位向的回火索氏體。
根據(jù)斷裂螺栓的金相檢驗結果可知，該螺栓在熱處理過程中的時效溫度遠低于GB/T 1220—2007標準中規(guī)定的620℃，組織中保留了固溶后未來得及轉變的殘余奧氏體，殘余奧氏體在使用過程中會緩慢發(fā)生馬氏體相變，產生一定的組織應力，且斷裂螺栓組織中未觀察到經高溫時效后析出的沉淀強化點狀相。該螺栓表現(xiàn)為經過固溶和低溫時效處理后高強度、低韌性的力學性能。
綜上分析，斷裂螺栓的時效溫度偏低，表現(xiàn)出了高強度、低韌性的力學性能，使得螺栓的氫脆敏感性增加，該螺栓的服役環(huán)境為海洋環(huán)境，在使用過程中存在一定濃度的H離子，在較高強度和H離子的綜合作用下，螺栓發(fā)生了延遲氫脆斷裂。
3 結論
螺栓的斷裂性質為延遲氫脆斷裂，斷裂的原因是螺栓在熱處理過程中時效溫度過低，板條馬氏體未充分轉變成塑性和韌性綜合性能較好的回火索氏體，在海洋環(huán)境的H離子作用下，最終導致螺栓發(fā)生延遲氫脆斷裂。
作者：劉巖1，李慧1，陳潔明1，2，張佳旗1，李志浩1，王世寧1，張欣耀1，2
單位：1. 洛陽船舶材料研究所；
2. 海洋腐蝕與防護全國重點實驗室
來源：《理化檢驗-物理分冊》2025年第10期
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