法蘭開裂原因分析

王 影，謝國君，韓 露，逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

法蘭開裂原因分析

王 影，謝國君，韓 露，逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

不銹鋼法蘭安裝到發(fā)動機上后在寧波停放5年，檢查發(fā)現多件法蘭表面均存在多條徑向裂紋。通過對裂紋及斷口形貌觀察、金相分析、材料成分檢測，分析法蘭的斷裂原因。結果表明，法蘭的開裂模式為應力腐蝕，發(fā)生應力腐蝕的原因是由于法蘭所用材料牌號與設計要求不符合，用1Cr17Ni7材料代替了304不銹鋼，而1Cr17Ni7材料的耐腐蝕及晶間腐蝕性能均比304不銹鋼差，同時1Cr17Ni7材料組織存在沿晶分布的網狀碳化物，導致其耐晶界腐蝕能力進一步下降。

法蘭；不銹鋼；應力腐蝕；網狀碳化物

0 引言

法蘭一般用于零件的轉接，便于拆裝。法蘭配對使用，是通過螺栓緊固在一起。管道法蘭材料一般使用Q235，設備法蘭材料一般使用20鋼、16Mn、304、316、316L。

為了考察存儲環(huán)境對發(fā)動機的影響，將發(fā)動機存放在條件相對苛刻的高溫高濕的南方海邊， 5年后檢查發(fā)現20臺設備的出口法蘭均存在嚴重的銹蝕現象，其中14臺設備出口法蘭同時存在開裂現象。本次開裂法蘭所用材料為304不銹鋼，由于不銹鋼材料具有優(yōu)異的力學性能和耐蝕性，所以廣泛地應用于各種腐蝕環(huán)境中，尤其是海洋苛刻的腐蝕環(huán)境中，但不銹鋼構件及零部件長時間在這種腐蝕環(huán)境中使用后其表面腐蝕是不可避免的，在自身所受應力及腐蝕的共同影響下，不銹鋼材料除了發(fā)生均勻腐蝕外，還會發(fā)生嚴重的應力腐蝕開裂，具有極大的破壞性。

影響不銹鋼應力腐蝕兩大因素為內因和外因：內因主要包括材料成分及組織狀態(tài)，外因主要包括使用環(huán)境(腐蝕介質濃度、溫度)及自身所受應力狀態(tài)。本研究通過對法蘭開裂原因進行分析，找出其發(fā)生應力腐蝕的主要原因，為產品在海邊存儲、延壽提供技術支持。

1 試驗過程與分析

1.1 裂紋觀察及裂紋斷面觀察

開裂法蘭的宏觀形貌見圖1，法蘭表面存在嚴重的銹蝕現象，目視表面可見8條沿徑向裂紋，裂紋均未穿透壁厚，8條裂紋在周向上均勻分布，每條裂紋均由多條斷續(xù)小裂紋組成。

采用機械方法將裂紋打開后觀察，裂紋斷面凹凸不平，斷面附著紅褐色銹蝕產物，人工斷面呈亮金屬色(圖2)。

圖1 裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of surface crack

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of fracture

將斷面清洗后置于掃描電鏡下進行形貌觀察和能譜分析，整個裂紋斷面均呈沿晶形貌，部分區(qū)域可見明顯的沿晶二次裂紋，晶面上附著一層腐蝕產物，能譜分析腐蝕產物主要含有O、Fe、Cr和含量較高的S、Cl元素；人工斷面呈韌窩形貌，能譜分析主要含有Fe、Cr(19.0%)、Ni(7.1%)、Si(1.0%)、Mn(1.9%)元素(均為質量分數)。斷口微觀形貌見圖3。以上斷口形貌特征表明法蘭開裂性質為脆性開裂。

1.2 金相分析及顯微硬度測試

在平行裂紋附近取樣制備金相試樣磨拋后觀察，試樣上存在多條基本沿徑向的微裂紋(圖4)。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

將金相試樣浸蝕后觀察可見：1)裂紋均沿晶擴展；2)基體晶粒大小不均勻，部分晶粒較大(按照GB/T 6394—2002超過00級)，部分晶粒相對細小(8.5級)，且大晶粒區(qū)和小晶粒區(qū)間隔分布；3)晶界上存在網狀分布的顆粒狀碳化物。

對試樣進行硬度測試，結果為HV0.2234、235、245、237、250，平均值為HV0.2240，相當于HRC 20.5。

1.3 化學成分分析

在法蘭上取樣、采取化學法對材料成分進行測試，結果表明法蘭所用材料的牌號不符合304不銹鋼(相當于國內牌號0Cr18Ni9)要求，與1Cr17Ni7相符，測試結果詳見表1。

圖4 裂紋形貌Fig.4 Crack morphology

2 分析與討論

出口法蘭安裝到設備上后在寧波停放了5年，發(fā)現20臺設備出口法蘭中14臺出口法蘭均存在開裂現象。選擇其中一件法蘭進行觀察，發(fā)現其表面存在嚴重的銹蝕現象，并可見8條明顯的徑向裂紋，每條裂紋均由多條斷續(xù)小裂紋組成。裂紋斷口觀察結果表明裂紋斷面凹凸不平，斷面附著紅褐色銹蝕產物，微觀呈沿晶形貌，晶面上附著一層基體腐蝕產物，且腐蝕產物中含有較高的腐蝕性介質S、Cl元素。以上斷口形貌特征表明法蘭開裂性質為脆性開裂，開裂機理為應力腐蝕。

化學分析結果表明法蘭所用材料為1Cr17Ni7，

圖5 法蘭組織形貌Fig.5 Microstructure of flange表1 材料成分分析結果 (質量分數 /%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction /%)

ElementCSPCrNiTiMnSiFlange0.140.0450.01716.77.70.0031.000.661Cr17Ni7≤0.15≤0.030≤0.04516.0～18.06.0～8.0≤2.00≤1.00304(0Cr18Ni9)<0.08<0.030<0.04518.0～20.08.0～12.0<2.00<1.00

不符合設計牌號304(0Cr18Ni9)的要求，1Cr17Ni7與304相比，C含量高且Cr、Ni含量低，導致其耐腐性(均勻腐蝕及耐晶間腐蝕)能低。

金相分析結果表明裂紋均沿晶擴展，晶粒大小不均勻，且存在沿晶分布的網狀碳化物。大量碳化物的析出造成晶界Cr含量降低[1-3]，貧Cr區(qū)的電極電位比晶體內低，在腐蝕介質的作用下，電極電位低的晶界成為陽極而被腐蝕，導致材料的耐晶間腐蝕能力下降[4-8]。

綜合分析認為：法蘭的開裂模式為應力腐蝕，發(fā)生應力腐蝕的原因與以下兩個因素有關：1)法蘭所用材料不符合設計要求，用1Cr17Ni7材料代替了304不銹鋼，而1Cr17Ni7材料的耐腐蝕及晶間腐蝕性能均比304不銹鋼差；2)1Cr17Ni7基體組織存在沿晶分布的網狀碳化物，導致材料的耐晶界腐蝕能力下降。

3 結論

1)法蘭的開裂模式為應力腐蝕。

2)法蘭發(fā)生應力腐蝕的原因是由于法蘭用1Cr17Ni7代替了設計要求的304不銹鋼，而且1Cr17Ni7基體組織存在沿晶分布的網狀碳化物，導致材料的耐晶界腐蝕能力下降。

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Failure Analysis of Flange Crack

WANG Ying，XIE Guo-jun，HAN Lu，PANG Jin-cheng

(AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

There were many radial cracks on the stainless steel flange surface after storing for five years in Nibo. Marco and micro observation, chemical composition analysis and metallurgical examination were carried out to find out the failure cause. The results show that the fracture mode is stress corrosion. The material of the flange is 1Cr17Ni7, but the not required material: 304. The corrosion resistance of 1Cr17Ni7 is poorer than that of 304. In addition, the carbide network along the grain boundaries in the 1Cr17Ni7 promoted the occurrence of stress corrosion.

flange; stainless steel; stress corrosion; carbide network

2016年9月17日

2016年11月7日

王影(1978年-)，女，碩士，高級工程師，主要從事機械產品失效分析等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.008

1673-6214(2016)06-0369-03