37Mn鋼氣瓶開裂原因分析

蔡 煜, 陳松林, 戴敏明, 蘇鄭卿

(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司, 常州 213200)

37Mn鋼氣瓶開裂原因分析

蔡 煜, 陳松林, 戴敏明, 蘇鄭卿

(江蘇常寶普萊森鋼管有限公司, 常州 213200)

某37Mn鋼氣瓶在進(jìn)行水壓試驗時發(fā)生漏水現(xiàn)象，對氣瓶進(jìn)行檢查后發(fā)現(xiàn)氣瓶存在撕裂狀開裂。通過對開裂氣瓶的宏觀形貌、化學(xué)成分及微觀形貌進(jìn)行分析和檢驗，查明了其開裂原因。結(jié)果表明：引起氣瓶撕裂狀開裂的主要原因是其原材料鋼管存在外折疊缺陷。

37Mn鋼；氣瓶；開裂；外折疊

某廠生產(chǎn)的規(guī)格為φ108 mm×3.8 mm的37Mn鋼管供客戶加工成規(guī)格為φ152 mm×300 mm的氣瓶，氣瓶成型后進(jìn)行水壓試驗，水壓參數(shù)如下：壓力22.5 MPa，保壓時間1 min。在水壓達(dá)到22.5 MPa時發(fā)現(xiàn)一支氣瓶開裂漏水。為了查明該氣瓶開裂原因，筆者對其取樣進(jìn)行了檢驗和分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀分析

漏水氣瓶宏觀形貌如圖1～4所示。氣瓶開裂處裂縫寬約5 mm、長約130 mm，裂口部位呈分層撕裂狀，表面凸起，如圖1和圖2所示，漏水氣瓶上部及底部外表面均有明顯的裂紋痕跡，如圖3和圖4所示。氣瓶開裂處內(nèi)部形貌如圖5所示，可看出裂口處大部分存在銹蝕，在橢圓形標(biāo)記處有明顯臺階，且標(biāo)記處斷口基本沒有銹蝕，標(biāo)記處靠近氣瓶外表面。撕裂狀裂口表面形貌如圖6所示，可見大部分?jǐn)嗫跊]有銹蝕，僅在右側(cè)標(biāo)記處有部分銹蝕，對應(yīng)圖5的右側(cè)銹蝕處。

圖1 開裂氣瓶宏觀全貌Fig.1 Macro full morphology of the cracked gas cylinder

圖2 氣瓶裂口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of crack of the gas cylinder

圖3 開裂氣瓶上部裂紋形貌Fig.3 Morphology of crack at upper part of the gas cylinder

圖4 開裂氣瓶底部裂紋形貌Fig.4 Morphology of crack at bottom of the gas cylinder

圖5 氣瓶開裂處內(nèi)部形貌Fig.5 Internal morphology of the cracking position of the gas cylinder

圖6 裂口表面形貌Fig.6 Surface morphology of the fracture

1.2 化學(xué)成分分析

對開裂氣瓶取樣進(jìn)行光譜分析，選用標(biāo)樣為37Mn鋼，結(jié)果如表1所示，可見氣瓶化學(xué)成分符合相關(guān)協(xié)議技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗

在圖1所示1～3號位置取樣，經(jīng)磨制、拋光和4%(體積分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液侵蝕后在光學(xué)顯微鏡下觀察。

表1 開裂氣瓶的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the cracked gas cylinder (mass fraction) %

1號試樣裂紋及顯微組織形貌見圖7～10。從圖8可以看出，氣瓶顯微組織為鐵素體+珠光體，且?guī)罱M織明顯，內(nèi)壁存在部分脫碳，部分脫碳層深度為0.197 mm。從圖8還可以看出，開裂由內(nèi)向外擴(kuò)展，在圖7所示標(biāo)記處與外壁撕裂根部匯合。從圖9可以看出，外壁撕裂處根部存在擴(kuò)展裂紋，裂紋沿鐵素體區(qū)域穿晶擴(kuò)展。此外1號試樣外壁還存在折疊缺陷[1-2]，且缺陷附近存在部分脫碳，脫碳層深度為0.06 mm，如圖10所示。

圖7 1號試樣橫截面形貌Fig.7 Cross sectional morphology of sample 1

圖8 1號試樣內(nèi)壁裂紋及顯微組織形貌Fig.8 Morphology of crack and microstructure at inner wall of sample 1

圖9 1號試樣外側(cè)裂紋擴(kuò)展形貌Fig.9 Morphology of crack propagation at the outside of sample 1

圖10 1號試樣外壁折疊缺陷及顯微組織形貌Fig.10 Morphology of fold defect and microstructure at outer wall of sample 1

圖11 2號試樣內(nèi)壁橫向缺陷形貌Fig.11 Morphology of transversal defect at inner wall of sample 2

圖12 2號試樣內(nèi)壁缺陷縱向形貌Fig.12 Longitudinal morphology of inner wall defect of sample 2

2號試樣裂紋擴(kuò)展趨勢與1號試樣的一致，顯微組織也基本一致，但在2號試樣內(nèi)壁發(fā)現(xiàn)橫向疑似裂紋缺陷，如圖11和圖12所示，可知氣瓶在水壓試驗時，由內(nèi)向外形成裂紋，并橫向擴(kuò)展。

圖13 3號試樣基體顯微組織形貌Fig.13 Morphology of matrix microstructure of sample 3

圖13為3號試樣的基體顯微組織形貌，為呈帶狀分布的鐵素體+珠光體，晶粒度9～10級，對比裂紋附近試樣顯微組織可見，帶狀有明顯改善。

在氣瓶底部缺陷處取4號試樣，其裂紋及顯微組織形貌如圖14～16所示，可見其外壁同樣存在折疊缺陷，且缺陷附近有少量部分脫碳，脫碳層深度為0.05 mm，觀察折疊缺陷根部可以發(fā)現(xiàn)存在延伸裂紋，沿著鐵素體條帶擴(kuò)展?？v觀4號試樣，鐵素體條帶明顯，與1號和2號試樣一致。

圖14 氣瓶底部外壁折疊及顯微組織形貌Fig.14 Morphology of outer wall fold defect and microstructureat bottom of the gas cylinder

圖15 折疊缺陷根部裂紋擴(kuò)展形貌Fig.15 Morphology of crack propagation at the end of fold defect

圖16 裂紋擴(kuò)展形貌Fig.16 Morphology of crack propagation

2 分析與討論

對于失效氣瓶的金相分析結(jié)果表明，氣瓶外表面存在折疊缺陷，且氣瓶外側(cè)及內(nèi)側(cè)鐵素體條帶明顯，當(dāng)氣瓶進(jìn)行水壓試驗時，外折疊沿著鐵素體條帶擴(kuò)展，斜向?qū)馄炕w撕裂，氣瓶有效壁厚減小，導(dǎo)致氣瓶在一定壓力下由內(nèi)壁向外壁爆裂，形成撕裂狀爆裂口，從圖5和圖6的撕裂口形貌也可以看出，靠外側(cè)的斷口基本無銹蝕，臺階處有大量銹蝕，表明外壁斷口是在變形時由外壁缺陷斜向擴(kuò)展形成的，而臺階處及夾層的銹蝕即靠近內(nèi)壁處的銹蝕為水壓試驗時產(chǎn)生的。由圖8可以看出裂紋擴(kuò)展形貌，由內(nèi)壁開始到壁厚中間與外壁擴(kuò)展缺陷匯合，最終導(dǎo)致氣瓶開裂。由圖11和圖12的氣瓶內(nèi)壁橫向缺陷也可以看出，氣瓶有效壁厚減小后，基體承受不住壓力，內(nèi)壁產(chǎn)生橫向裂紋，最終導(dǎo)致裂紋沿缺陷擴(kuò)展。

開裂氣瓶內(nèi)壁鐵素體條帶明顯，且存在脫碳現(xiàn)象，脫碳層組織絕大部分為鐵素體，強(qiáng)度較低，氣瓶在水壓試驗受力過程中由內(nèi)壁薄弱區(qū)域開裂，且由于外壁缺陷擴(kuò)展導(dǎo)致有效壁厚較小，最終導(dǎo)致氣瓶開裂。

3 結(jié)論及建議

導(dǎo)致該37Mn鋼氣瓶水壓試驗時開裂的主要原因是原材料鋼管存在外折疊缺陷，建議加強(qiáng)原材料表面質(zhì)量檢驗。

[1] 史霞,劉志瑩,王道勇.發(fā)動機(jī)氣門彈簧斷裂原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2016,52(3):197-201.

[2] 陳猛,余世杰,袁鵬斌,等.NC40鉆桿接頭裂紋的原因分析[J].理化檢驗-物理分冊,2015,51(9):671-674.

Cause Analysis on Cracking of a 37Mn Steel Gas Cylinder

CAI Yu, CHEN Songlin, DAI Minming, SU Zhengqing

(Jiangsu Changbao Precision Steel Tube Co., Ltd., Changzhou 213200, China)

Water leakage phenomenon occurred to a 37Mn steel cylinder during hydraulic pressure test, and after inspection it was found that the gas cylinder cracked. Through macro analysis, chemical composition analysis and micro analysis of the cracked gas cylinder, the cracking reason was analyzed. The results show that the tearing cracking of the gas cylinder was mainly due to the outer folding defect of the raw material steel pipe.

37Mn steel; gas cylinder; cracking; outer fold

10.11973/lhjy-wl201706018

2016-04-22

蔡 煜(1984-)，女，工程師，主要從事金相檢驗工作，cai_caiyu2001@163.com

TG115

B

1001-4012(2017)06-0453-04