奧氏體不銹鋼連桿裂紋分析

尚爾峰，王志明

(沈陽(yáng)鑄造研究所，沈陽(yáng) 110022)

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奧氏體不銹鋼連桿裂紋分析

尚爾峰，王志明

(沈陽(yáng)鑄造研究所，沈陽(yáng) 110022)

0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼高壓隔離開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)連桿在安裝使用一年后產(chǎn)生裂紋。通過(guò)宏觀形貌檢驗(yàn)、低倍組織和顯微組織分析、化學(xué)成分測(cè)定、能譜分析、晶間腐蝕傾向性試驗(yàn)、硬度檢測(cè)等方法對(duì)裂紋產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。結(jié)果表明：連桿材料晶界弱化，裂紋以沿晶方式擴(kuò)展。碳含量過(guò)高和熱軋型材終軋溫度偏低是導(dǎo)致材料晶界弱化、晶間腐蝕傾向性升高、塑性下降的主要影響因素；由硫含量超標(biāo)引起的夾雜物增多是造成連桿塑性降低的次要影響因素。晶間腐蝕敏感性增強(qiáng)以及材料塑性偏低導(dǎo)致連桿在腐蝕工作環(huán)境中正常受力狀態(tài)下產(chǎn)生裂紋。

奧氏體不銹鋼；連桿；晶間腐蝕；裂紋；夾雜物；固溶處理

0 引言

連桿是傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中重要的傳動(dòng)部件，由于受力復(fù)雜，要求具有良好的結(jié)構(gòu)剛度和疲勞強(qiáng)度，以保證傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的可靠性[1]。在高壓開(kāi)關(guān)、化工機(jī)械等應(yīng)用領(lǐng)域，由于腐蝕環(huán)境影響，連桿機(jī)構(gòu)需要具有耐蝕性和穩(wěn)定性，連桿制造材料常選用不銹鋼[2]。以0Cr18Ni9為代表的奧氏體不銹鋼因其優(yōu)良的耐腐蝕性能和綜合力學(xué)性能，在連桿生產(chǎn)中被大量采用。但0Cr18Ni9型奧氏體不銹鋼如果制造工藝不當(dāng)，在使用中會(huì)與周?chē)h(huán)境作用產(chǎn)生晶間腐蝕、應(yīng)力腐蝕等，進(jìn)而導(dǎo)致產(chǎn)品失效[3]。

奧氏體不銹鋼的腐蝕失效受到多種因素的影響。羅宏等[4]認(rèn)為，“貧鉻理論”是奧氏體不銹鋼晶間腐蝕的重要機(jī)理，晶間兩側(cè)形成貧Cr區(qū)會(huì)導(dǎo)致晶界易腐蝕。Torres等[5]認(rèn)為，晶界區(qū)選擇性溶解理論也是造成晶間腐蝕的重要因素。當(dāng)晶界上析出σ相，或出現(xiàn)P、Si等雜質(zhì)偏析，在強(qiáng)氧化性介質(zhì)中會(huì)發(fā)生選擇性溶解，增加晶間腐蝕傾向。Abdelkarim等[6]研究表明，316L不銹鋼在1 200 ℃進(jìn)行固溶處理，N的加入對(duì)于抗晶間腐蝕能力有積極的影響，但如果在1 050 ℃進(jìn)行固溶處理，抗晶間腐蝕能力則顯著降低。Lehockey等[7]指出，處于一般大角度自由晶界網(wǎng)絡(luò)上的特殊晶界能夠有效打斷其連通性，從而提高材料的晶界失效抗力，改善耐蝕性能。

目前對(duì)連桿開(kāi)裂的研究多集中于中碳鋼、中碳合金鋼、高碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、球墨鑄鐵等材料，以及疲勞斷裂[8-9]、過(guò)載彎曲開(kāi)裂[10]、脹裂[11]、沿材料缺陷開(kāi)裂等斷裂失效方式。但針對(duì)奧氏體不銹鋼連桿裂紋產(chǎn)生原因，尤其是材料化學(xué)成分和硬度的偏差對(duì)不銹鋼連桿以沿晶開(kāi)裂方式失效的影響研究報(bào)道尚顯不足。

本研究分析的不銹鋼連桿應(yīng)用于高壓隔離接地開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)。高壓隔離接地開(kāi)關(guān)是將高壓電器上的主回路器兩側(cè)的電路接地以保證檢修人員安全的部件。高壓電器維修時(shí)，接地開(kāi)關(guān)合閘后使無(wú)電流的主回路可靠接地，其操動(dòng)機(jī)構(gòu)承擔(dān)著動(dòng)作可靠性的重任。為保證機(jī)構(gòu)的耐蝕性、穩(wěn)定性和安全性，連桿材料往往選用不銹鋼且無(wú)焊接點(diǎn)[12-13]。連桿材質(zhì)為0Cr18Ni9奧氏體不銹鋼，原材料經(jīng)鍛造和熱軋后，機(jī)加工制成成品。連桿在大氣腐蝕環(huán)境中和常規(guī)受力狀態(tài)下運(yùn)行1年后出現(xiàn)裂紋。利用金相分析方法，確定裂紋性質(zhì)。通過(guò)分析材料的化學(xué)成分與奧氏體不銹鋼晶界弱化的關(guān)系，以及硬度指標(biāo)與熱加工工藝的關(guān)系，探討化學(xué)成分及硬度等因素誘發(fā)沿晶裂紋產(chǎn)生的機(jī)理。研究結(jié)果可為今后分析同類(lèi)產(chǎn)品裂紋產(chǎn)生的原因提供經(jīng)驗(yàn)與工程借鑒價(jià)值。

1 宏觀檢驗(yàn)

連桿的主體為六面體，螺桿兩端為連接螺紋(圖1a)。裂紋產(chǎn)生于連桿主體外表面，主裂紋為直裂紋，長(zhǎng)約50 mm，沿縱向分布，裂紋較寬(圖1b箭頭1所示)，裂紋擴(kuò)展過(guò)程中出現(xiàn)拐點(diǎn)且末端不連續(xù)(圖1b箭頭2所示)。主裂紋之外存在多條分枝裂紋以及并非發(fā)源于主裂紋的小裂紋，分枝裂紋和小裂紋與主裂紋在同一平面，沿多方向擴(kuò)展，并擴(kuò)展至相鄰的兩個(gè)平面上。

圖1 連桿及裂紋宏觀形貌

2 金相分析

2.1 低倍組織分析

分別沿連桿橫向和縱向截取樣品進(jìn)行低倍組織分析。分析結(jié)果顯示，低倍組織中存在多條裂紋，裂紋方向各異，但均發(fā)源于連桿外表面，裂紋擴(kuò)展的最大深度約為0.7 mm(圖2)。低倍組織依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)GB/T 1979—2001評(píng)定為一般疏松0.5級(jí)。

圖2 低倍組織

2.2 裂紋分析

裂紋微觀形貌呈鋸齒形狀，裂紋擴(kuò)展路徑為沿晶界擴(kuò)展(圖3)。

2.3 基體組織分析

圖4為連桿基體非金屬夾雜物分析結(jié)果。依據(jù)GB/T 10561—2005將夾雜物評(píng)定為：A類(lèi)細(xì)系3級(jí)，B類(lèi)細(xì)系0.5級(jí)，C類(lèi)粗系2級(jí)，D類(lèi)細(xì)系1級(jí)。經(jīng)掃描電鏡能譜分析，夾雜物成分為硫化物和渣類(lèi)夾雜物(圖5)?；w金相組織為奧氏體+少量鐵素體；鐵素體含量(圖6b)依據(jù)GB/T 13305—2008評(píng)定為0.5級(jí)(≤2%)；晶粒度(圖6a)依據(jù)GB/T 6394—2002評(píng)定為7級(jí)。晶間腐蝕試驗(yàn)依據(jù)GB/T 4334—2008方法A，試驗(yàn)結(jié)果(圖6c)評(píng)定為混合組織(二類(lèi))、凹坑組織Ⅰ(六類(lèi))。

圖3 裂紋微觀形貌

圖4 非金屬夾雜物

3 化學(xué)成分分析

使用CS 8800型紅外碳硫分析儀對(duì)連桿C、S元素進(jìn)行測(cè)定，其余元素使用OBLF QSN750型直讀光譜儀測(cè)定?；瘜W(xué)成分分析結(jié)果見(jiàn)表1，可見(jiàn)，化學(xué)成分不符合GB/T 1220—2007的規(guī)定。其中，C、S元素含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，Cr元素含量略低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定。

4 硬度分析

硬度分析采用MH-50型維氏硬度計(jì)進(jìn)行測(cè)量，結(jié)果見(jiàn)表2，由表可見(jiàn)，連桿硬度遠(yuǎn)高于GB/T 1220—2007中對(duì)經(jīng)固溶處理后0Cr18Ni9鋼棒的硬度值規(guī)定。

5 分析與討論

1)連桿的裂紋發(fā)源于外表面，以沿晶方式擴(kuò)展，表明材料晶界弱化。晶間腐蝕試驗(yàn)結(jié)果顯示晶界存在腐蝕溝，說(shuō)明材料晶間腐蝕敏感性較高。一般情況下，不銹鋼具有耐蝕性是由于在金屬基體中當(dāng)Cr含量達(dá)到11.7%(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)時(shí)，陽(yáng)極(負(fù)極)區(qū)的基體表面可形成鈍化膜Cr2O3，鈍化膜可以阻礙陽(yáng)極區(qū)的反應(yīng)，同時(shí)增加陽(yáng)極電位，減緩基體電化學(xué)腐蝕。在室溫下，C在奧氏體不銹鋼中的溶解度約為0.02%～0.03%，而0Cr18Ni9不銹鋼中的C含量高于此值，因此只有在高溫下快速冷卻，C才能在奧氏體中過(guò)飽和固溶。但此種狀態(tài)下的奧氏體不銹鋼在敏化溫度區(qū)間450～850 ℃內(nèi)，C會(huì)向晶界處擴(kuò)散，與Cr形成間隙碳化物Cr23C6并析出。Cr原子由于半徑大，在奧氏體中的擴(kuò)散速率明顯小于C在奧氏體中的擴(kuò)散速率，不能及時(shí)補(bǔ)充到晶界處，故Cr23C6中的Cr大部分來(lái)自晶界附近的奧氏體基體。當(dāng)晶界處的Cr含量小于鈍化所需的臨界濃度11.7%時(shí)，就形成了由處于活化態(tài)的晶界貧鉻區(qū)與處于鈍化態(tài)的中心富鉻區(qū)組成的具有較大電位差的活化-鈍化電池，從而使晶界及附近區(qū)域失去了抗腐蝕能力[14-15]，導(dǎo)致材料的晶間腐蝕敏感性升高、晶界弱化。

圖5 夾雜物成分能譜分析

圖6 顯微組織

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)

表2 硬度分析結(jié)果

2)連桿C元素含量為0.12%，超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值0.08%。C是造成晶界腐蝕的主要元素，C含量在0.08%以下時(shí)，能夠析出C的數(shù)量少；C含量在0.08%以上時(shí)，則析出C的數(shù)量迅速增加[16]，造成晶界腐蝕的傾向越嚴(yán)重。連桿S元素含量為0.13%，遠(yuǎn)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值0.03%。S含量過(guò)高，導(dǎo)致不銹鋼內(nèi)部形成大量MnS夾雜物，降低鋼的塑性、韌性及耐蝕性[17]。此外，連桿內(nèi)部還存在以硅酸鹽、氧化鋁及渣類(lèi)夾雜為核心，外圍為MnS的復(fù)合夾雜物。由于硫化物塑性較高，經(jīng)軋制受力變形，沿軋制方向呈長(zhǎng)條形，而心部其他類(lèi)型的夾雜物卻變形不明顯[18]。由于外圍硫化物與心部其他夾雜物存在變形程度的差異，導(dǎo)致在復(fù)合夾雜物區(qū)域產(chǎn)生微孔或微裂紋，降低材料的性能。

3)連桿硬度平均值為HV1301，遠(yuǎn)高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值HV1200，達(dá)到1/2H冷作硬化不銹鋼的硬度范圍。由此可推測(cè)，制作不銹鋼連桿的熱軋型材終軋溫度過(guò)低，加工硬化嚴(yán)重[19]，軋制后未作固溶處理或固溶處理不良，導(dǎo)致硬度偏高。一般情況下，0Cr18Ni9不銹鋼熱軋加熱溫度為1 250 ℃，精軋出口溫度在1 000 ℃以上[20]，高于奧氏體不銹鋼晶間腐蝕敏化溫度區(qū)間450～850 ℃，不易產(chǎn)生晶間腐蝕傾向。但終軋溫度過(guò)低時(shí)，會(huì)造成不銹鋼在敏化溫度區(qū)間內(nèi)停留，導(dǎo)致晶界弱化，晶間腐蝕傾向增大。若軋制后對(duì)不銹鋼進(jìn)行固溶處理，可使軋制過(guò)程中析出的碳化物在高溫下固溶于奧氏體中，通過(guò)急冷使固溶了碳的奧氏體保持到常溫，降低晶間腐蝕傾向，同時(shí)消除加工硬化，使組織軟化，滿足材料的使用要求[21]。

4)在高壓輸變電設(shè)備中，高壓隔離開(kāi)關(guān)是唯一完全暴露在大氣環(huán)境中工作的設(shè)備[22]。大氣環(huán)境為高壓隔離接地開(kāi)關(guān)機(jī)構(gòu)連桿的晶間腐蝕和應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕環(huán)境；連桿硬度過(guò)高，加工硬化嚴(yán)重，以及工作時(shí)承受拉應(yīng)力作用，為連桿提供了材料內(nèi)部和外部的應(yīng)力條件。

6 結(jié)論

1)C含量超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，造成碳化物析出數(shù)量多，晶界附近貧Cr，升高晶間腐蝕傾向；S含量過(guò)高，導(dǎo)致硫化物以及以硅酸鹽、氧化鋁及渣類(lèi)夾雜為核心、外圍為MnS的復(fù)合夾雜物數(shù)量多，降低了材料的性能。

2)由硬度超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，推測(cè)熱軋型材終軋溫度過(guò)低，不銹鋼在敏化溫度區(qū)間內(nèi)停留，導(dǎo)致晶界弱化；后序未作固溶處理或固溶處理不良，晶間腐蝕傾向性大未得到改善。

3)連桿材料晶界弱化，晶間腐蝕敏感性較高。

4)高壓隔離接地開(kāi)關(guān)處于腐蝕性環(huán)境中，連桿加工硬化嚴(yán)重，在工作時(shí)承受拉應(yīng)力作用的情況下，產(chǎn)生了沿晶裂紋。

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Cracks Analysis of Connecting Rod of Austenitic Stainless Steel

SHANG Er-feng，WANG Zhi-ming

(ShenyangResearchInstituteofFoundry,Shenyang110022,China)

Cracks were found in the connecting rod of high voltage isolator ground switch made 0f 0Cr18Ni9 austenitic stainless steel after service for one year. The cause for cracks was analyzed by means of macro morphology examination, macrostructure and microstructure analysis, chemical analysis, energy spectrum analysis, detecting susceptibility to intergranular corrosion and hardness test. The results reveal that cracks propagated along grain boundary because of grain boundary weakening. Grain boundary weakening, high susceptibility to intergranular corrosion and decreasing of plasticity were primarily caused by higher carbon content and lower finish rolling temperature. Additionally, the poor plasticity of the connecting rod may also be due to large amounts of inclusions induced by high sulphur. As a result, high susceptibility to intergranular corrosion and poor plasticity caused cracks under working stress in corrosion environment.

austenitic stainless steel; connecting rod; intergranular corrosion; crack; inclusion; solution treatment

2016年4月25日

2016年6月28日

尚爾峰(1982年-)，男，碩士，高級(jí)工程師，主要從事金屬材料失效分析及金相檢測(cè)分析等方面的研究。

TG142.71

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.04.004

1673-6214(2016)04-0218-05