1Cr18Ni9Ti不銹鋼導管開裂原因分析

(中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司,襄陽 441003)

1Cr18Ni9Ti不銹鋼導管開裂原因分析

吳俊峰

(中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司,襄陽 441003)

1Cr18Ni9Ti不銹鋼導管外場例行檢查時被發(fā)現(xiàn)有裂紋。通過裂紋及破斷口的宏、微觀觀察，腐蝕產(chǎn)物成分分析，硬度、殘余應(yīng)力檢測等方法分析了導管開裂失效原因。結(jié)果表明：導管的開裂失效原因為應(yīng)力腐蝕破裂。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼；導管；應(yīng)力腐蝕破裂；殘余應(yīng)力

奧氏體不銹鋼應(yīng)用廣泛，但易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕破裂。應(yīng)力腐蝕破裂是一種脆性斷裂,往往在無明顯宏觀變形、不出現(xiàn)任何預(yù)兆的情況下突然發(fā)生脆性斷裂,因此很難對其進行有效的監(jiān)測。且應(yīng)力腐蝕破裂裂紋一旦形成，擴展速率比其他類型的局部腐蝕速率快。應(yīng)力腐蝕破裂是目前所知的腐蝕類型中破壞性最大的一類，它不僅會造成經(jīng)濟上的損失，還會因其突發(fā)性危及人身安全，往往會造成十分嚴重的后果[1]。研究奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂產(chǎn)生的原因，并采取有針對性的防護措施，對避免或減少應(yīng)力腐蝕破裂、減少經(jīng)濟損失有重要意義。

某導管在孟加拉國外場例行檢查時被發(fā)現(xiàn)有裂紋。該導管的材料為1Cr18Ni9Ti不銹鋼(規(guī)格為6 mm×1.5 mm)，經(jīng)固溶處理。其成型工藝為原料→彎折→焊接→氣密性試驗。該導管為彈射救生裝置的一部分，固定在飛行員座椅上，平時并不使用，只在飛行員應(yīng)急逃生彈射出艙時導管內(nèi)才充入燃氣使用。導管通過兩頭冷彎管路與支座區(qū)氬弧焊焊接而成。見圖1。故障導管安裝在飛機上已有2 a，隨飛機飛行，未使用。同批次安裝的8套導管中，4套出現(xiàn)了裂紋。本工作對其中一套導管進行了詳細理化檢驗，并分析了導管發(fā)生開裂失效的原因。

1 理化檢驗及結(jié)果

1.1 化學成分分析

采用CS600碳硫儀與ICAP6000SERIES等離子光譜儀測失效導管中碳與合金元素含量，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明：失效導管的化學成分符合GJB 2296-95《航空用不銹鋼無縫鋼管規(guī)范》的技術(shù)要求。

1.2 宏觀檢查

對失效導管進行宏觀檢查。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：導管開裂部位在冷彎拐角處，裂紋長7～9 mm，與軸向呈約90°方向擴展，如圖1和圖2所示。

將失效導管沿裂紋打開，其斷口宏觀形貌見圖3。圖3中深褐色部分為導管最初開裂部分，呈淺灰色部分為人工打開部分。結(jié)果表明：深褐色斷口粗糙不平，呈顆粒狀，無明顯塑性變形，無剪切唇，未見放射花樣，導管外壁附近顏色深于內(nèi)壁附近;導管及裂紋附近未見異常加工損傷。

圖1 導管形貌及開裂部位Fig. 1 Morphology of catheter and cracking positions

元素CSiMnPSNiCrTi檢測值0.080.261.020.010.019.8617.56-GJB2296-95≤0.12≤0.80≤2.00≤0.035≤0.0258.00～11.0017.00～19.005×(wC-0.02)～0.08

圖2 失效導管上裂紋的宏觀形貌Fig. 2 Macrographs of cracks in the failure catheter

1.3 金相檢驗

從裂紋處沿導管縱向取金相試樣，并進行磨拋，然后在金相顯微鏡下觀察。結(jié)果表明：宏觀開裂部位主裂紋曲折擴展，附近可見多條二次擴展裂紋，裂紋尾部分叉明顯，如圖4所示。將試樣腐蝕后，再次進行觀察。結(jié)果發(fā)現(xiàn)：斷口附近二次裂紋穿晶擴展，基體為細小的奧氏體組織，未見夾雜及其他缺陷，如圖5所示。依據(jù)GB/T 6394-2002《金屬平均晶粒度測定法》對失效導管的晶粒度進行評級。結(jié)果表明：失效導管的晶粒較為均勻，為10級～11級，符合GJB 2296-95《航空用不銹鋼無縫鋼管規(guī)范》的技術(shù)要求，即≥5級。

1.4 斷口掃描觀察與能譜分析

對圖3中斷口進行掃描電鏡微觀觀察，其裂紋源區(qū)和腐蝕產(chǎn)物形貌如圖6和圖7所示。結(jié)果表明：裂紋起源于導管外壁表面，斷面不平整，可見較多腐蝕產(chǎn)物堆積覆蓋，部分呈典型的“龜裂”形貌，有泥紋花樣，可見二次裂紋，腐蝕產(chǎn)物較少區(qū)域可見類解理斷裂特征。與斷口裂紋區(qū)形貌不同，人工打斷區(qū)表現(xiàn)為典型的韌窩特征，如圖8所示。

(a) 正面

(b) 截面圖3 失效導管沿裂紋打開后的斷口形貌Fig. 3 Fracture morphology of the failure catheter after opening of crack: (a) front side; (b) cross section

圖4 失效導管上主裂紋形貌Fig. 4 Morphology of the main crack in the failure catheter

對裂紋破斷口處腐蝕產(chǎn)物進行能譜分析，結(jié)果見表2。由表2可見：腐蝕產(chǎn)物中含有較多的碳、氧元素和腐蝕性氯元素。

圖5 失效導管上二次裂紋形貌Fig. 5 Morphology of secondary cracks in the failure catheter

(a) 低倍

(b) 高倍圖6 失效導管斷口上裂紋源區(qū)形貌Fig. 6 Morphology of the crack source zone on the fracture of the failure catheter: (a) low magnification; (b) high magnification

1.5 硬度測試

從失效導管取樣，對其進行顯微硬度檢測，載荷為2.94 N。結(jié)果表明：該失效導管的顯微硬度為192.3，197.6，189.2 HV。依據(jù)GB/T 1172-1999《黑色金屬硬度及強度換算值》將測量得到的硬度結(jié)果換算成抗拉強度(639 MPa)，該抗拉強度符合GJB 2296-95《航空用不銹鋼無縫鋼管規(guī)范》的技術(shù)要求(≥550 MPa)。

(a) 低倍

(b) 高倍圖7 失效導管斷口上腐蝕產(chǎn)物形貌Fig. 7 Morphology of corrosion products on the fracture of the failure catheter: (a) low magnification; (b) high magnification

圖8 失效導管斷口上人工打斷區(qū)形貌Fig. 8 Morphology of artificial broken area on the fracture of the failure catheter

元素CONaSiClTiCrMnFNi檢測值8.2429.630.830.691.300.3914.470.5617.243.47

1.6 殘余應(yīng)力測試

按不同工藝路線制作3組導管，分別標記為1號、2號、3號。1號導管的工藝為原料→彎折→焊接，其工藝與故障件工藝相同；2號導管的工藝為原料→彎折→焊接→去應(yīng)力退火；3號導管的工藝為原料→彎折→焊接→去應(yīng)力退火→吹砂。分別對3組導管A、B兩區(qū)(見圖9)彎折角外側(cè)表面進行殘余應(yīng)力測試，檢測結(jié)果見表3。 由表3可見：1號導管的B區(qū)存在較大的周向殘余拉應(yīng)力；而 2號導管的B區(qū)表現(xiàn)為周向殘余壓應(yīng)力；3號導管的B區(qū)也存在周向殘余拉應(yīng)力，但其數(shù)值比1號導管同區(qū)域的小。

2 失效原因分析

根據(jù)對導管裂紋宏微觀觀察結(jié)果可知：裂紋起源于外壁側(cè)表面，斷口局部存在嚴重腐蝕，可見腐蝕產(chǎn)物堆積，并可見典型的“龜裂”特征，腐蝕產(chǎn)物中出現(xiàn)腐蝕性的氯元素；裂紋穿晶擴展，裂紋尾部出現(xiàn)明顯分叉現(xiàn)象，在斷口有泥紋花樣，裂紋尖端分叉特征明顯。導管裂紋附近未見異常加工損傷，說明發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂與表面加工狀態(tài)無關(guān)。由此分析判斷，導管的裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕破裂[2]。

圖9 殘余應(yīng)力測試部位Fig. 9 Positions for residual stress testing

導管測試區(qū)域殘余應(yīng)力測試值/MPa軸向周向1號A區(qū)-135-33B區(qū)-1141402號A區(qū)-220-46B區(qū)-286-1993號A區(qū)-335-44B區(qū)-14950

不銹鋼在特定的腐蝕性介質(zhì)和拉應(yīng)力(可以是焊接、彎曲或其他成形工藝引起的殘余應(yīng)力，也可以是內(nèi)壓、機械載荷或熱膨脹引起的應(yīng)力)的同時作用下會出現(xiàn)低于強度極限的脆性開裂現(xiàn)象，稱為應(yīng)力腐蝕破裂[3]。

一般認為，應(yīng)力腐蝕破裂的機理為：腐蝕環(huán)境中金屬表面生成的保護膜在拉應(yīng)力作用下產(chǎn)生滑移，使鈍化膜破裂，形成蝕孔和裂紋源；金屬內(nèi)部產(chǎn)生了一條狹窄的活性通道，隨后在拉應(yīng)力的作用下，活性通道前端的鈍化膜反復破裂，產(chǎn)生裂紋，裂紋沿著垂直于拉應(yīng)力作用的方向擴展，在裂紋尖端由于閉塞區(qū)產(chǎn)生了氫，部分氫就可能擴散到尖端金屬內(nèi)部引起脆化，在拉應(yīng)力作用下發(fā)生脆性斷裂；裂紋也隨之在腐蝕和脆斷的反復作用下迅速擴大，造成縱深裂紋，直至發(fā)生斷裂；在氯離子環(huán)境中，溶液中的氧促進了奧氏體不銹鋼的全面鈍化，溶液中的氯離子破壞局部鈍化，同時進入裂縫尖端，在閉塞區(qū)生成鹽酸，使腐蝕加速[1,3]。

構(gòu)件發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂一般與拉應(yīng)力水平、腐蝕環(huán)境、材料自身應(yīng)力腐蝕敏感性這三個因素有關(guān)。

失效導管安裝在飛機上未使用，由此可排除使用情況下所受拉應(yīng)力過大導致失效的可能性。導管在生產(chǎn)加工過程中最易產(chǎn)生殘余應(yīng)力，當施加外力時，出現(xiàn)塑性變形，卸載后，塑性變形部分限制了其相鄰部分變形的恢復，因而出現(xiàn)了殘余應(yīng)力。這種由局部塑性變形引起的殘余應(yīng)力，在很多加工工藝中均會出現(xiàn)，如冷彎、鍛壓、切削、冷拔等。失效導管在成型時進行了冷彎變形，但之后并未進行去應(yīng)力退火，這將導致其內(nèi)部殘余拉應(yīng)力較大。裝配時，如果導管存在裝配不協(xié)調(diào)或強制裝配，也會導致較大的應(yīng)力存在。與開裂件采用相同生產(chǎn)工藝的1號導管存在較大的殘余應(yīng)力，故開裂失效導管也存在著較大的殘余拉應(yīng)力，此為導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的原因之一。

失效導管隨飛機在孟加拉國飛行2 a，孟加拉國屬熱帶季風氣候，且濕熱多雨，易導致腐蝕性元素氯引入，為導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕提供了腐蝕性介質(zhì)。有研究工作揭示了不銹鋼應(yīng)力腐蝕的發(fā)生、發(fā)展規(guī)律，不銹鋼的應(yīng)力腐蝕與氯離子含量、溫度、pH以及溶液中的其他離子有關(guān)[4-5]。奧氏體不銹鋼對氯離子引起的應(yīng)力腐蝕最為敏感。含有氯離子的介質(zhì)易造成奧氏體不銹鋼的應(yīng)力腐蝕破裂[6-7]。腐蝕坑產(chǎn)物中含有氯和氧元素。這是導致不銹鋼導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的環(huán)境因素。失效導管在氯離子與濕熱空氣中的氧的聯(lián)合作用下發(fā)生了應(yīng)力腐蝕破裂 。

1Cr18Ni9Ti不銹鋼屬于奧氏體不銹鋼，對應(yīng)力腐蝕破裂比較敏感，大量研究表明其在50 ℃以上含氯離子的水溶液中特別容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂。因此，導管在孟加拉國濕熱環(huán)境中具有較強的應(yīng)力腐蝕敏感性是其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的另一因素。目前，航空構(gòu)件上建議限制使用1Cr18Ni9Ti不銹鋼，而建議選擇其他耐應(yīng)力腐蝕性能更好的不銹鋼[8]。從導管的生產(chǎn)工藝分析：冷彎成型后未進行去應(yīng)力退火處理，加之后續(xù)零件的裝配應(yīng)力，使得零件存在較大殘余應(yīng)力，表面也未采取涂覆等防腐蝕措施，使零件表面可與腐蝕介質(zhì)直接接觸，導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂失效是必然的。

綜上，導管的開裂失效原因為應(yīng)力腐蝕破裂。導管使用的奧氏體不銹鋼對應(yīng)力腐蝕較敏感，冷彎變形后存在較大的殘余拉應(yīng)力，加之該導管在濕熱環(huán)境中使用，與腐蝕性氯元素接觸，導致了導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕而開裂。

3 結(jié)論與建議

失效導管的裂紋起源于導管外壁，導管的裂紋性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕裂紋。導管冷彎變形后存在較大的殘余拉應(yīng)力，濕熱服役環(huán)境中含有腐蝕性氯元素，導管未采取表面防腐蝕措施是導管發(fā)生應(yīng)力腐蝕破裂的根本原因。

建議在導管冷彎變形后增加去應(yīng)力退火處理，或采取表面涂覆防腐蝕措施以阻斷腐蝕介質(zhì)與零件表面的接觸。

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ReasonAnalysisforCrackingof1Cr18Ni9TiStainlessSteelCatheter

WU Junfeng

(AVIC Aerospace Life-Support Industries, Ltd., Xiangyan 441003, China)

Cracks were found during routine inspection on 1Cr18Ni9Ti stainless steel catheters. Macro and micro observation of the crack and fracture, analysis of the composition of corrosion products, hardness testing and residual stress testing were used to analyze the failure seasons for catheter cracking. The results show that the reason for the catheter cracking failure was stress corrosion cracking.

1Cr18Ni9Ti stainless steel; catheter; stress corrosion cracking; residual stress

10.11973/fsyfh-201712016

TG115.2

B

1005-748X(2017)12-0978-05

2017-07-13

吳俊峰(1977-),高級工程師,學士,從事金屬材料物理冶金分析與失效分析工作,13972295978,wujunfeng610@163.com