Φ530 mm×55 mm 45鋼液壓油缸試壓爆裂失效分析

靳博穎，楊寶齊，趙健明

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001）

某批次6支規(guī)格為Φ530 mm×55 mm、鋼號為45鋼、執(zhí)行GB/T 8162—2008《結(jié)構(gòu)用無縫鋼管》的鋼管加工成液壓油缸后，在進(jìn)行液壓試驗時，其中1支液壓油缸缸體在升壓至18 MPa時發(fā)生異常爆裂。該類液壓油缸設(shè)計試驗壓力為20 MPa，穩(wěn)壓時間不少于5 s。由于該類液壓油缸缸體在試壓過程發(fā)生爆裂現(xiàn)象極為罕見，現(xiàn)取樣分析爆裂發(fā)生的原因。

爆裂油缸形貌及取樣如圖1所示：爆裂油缸主裂縫貫穿壁厚，沿長度方向彎曲擴(kuò)展，在焊接耳環(huán)附近張開最寬；裂縫在油缸端部呈人字形擴(kuò)展，導(dǎo)致一塊呈V型整體掉落?，F(xiàn)場按圖1所示位置取樣并進(jìn)行分析，1號樣品取自裂縫張開最寬處，2號樣品呈V型，是從油缸端部整塊掉落的。

1 試驗與分析

1.1 宏觀觀察分析

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，整支爆裂油缸未發(fā)現(xiàn)有明顯鼓脹現(xiàn)象；查驗現(xiàn)場試驗記錄及試驗曲線，未有超壓等操作失誤現(xiàn)象，證明該油缸液壓試驗過程正常。

對所取樣品的斷口進(jìn)行觀察，1號樣品宏觀形貌如圖2所示，由此可見：斷面平齊，呈銀灰色，有結(jié)晶顆粒，無明顯塑性變形，為典型的脆性斷口［1-4］；斷口上有放射狀條紋，放射狀條紋的左右收斂點(diǎn)為焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域，并從此處呈現(xiàn)向外發(fā)散的特征，該放射性條紋指向外壁附近的月牙形斷口位置［5］，此處為裂紋源區(qū)，月牙形斷口表面光滑，寬約5 mm，深約2 mm。

圖1 爆裂油缸及取樣示意

圖2 1號樣品斷面上的裂紋收斂方向和裂紋源形貌

因此可推斷，裂紋源位于爆裂油缸外表面的焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域。

2號樣品斷面上的裂紋收斂方向如圖3所示，斷面平直，呈灰色，無金屬光澤，表面粗糙且凹凸不平，存在層次起伏的條帶，無明顯塑性變形，同樣為脆性斷口，從該斷面上的裂紋收斂形貌可判定該處為裂紋擴(kuò)展區(qū)。

圖3 2號樣品斷面上的裂紋收斂方向

1.2 電鏡觀察分析

切取裂紋源區(qū)并用酒精清洗后，放入掃描電鏡進(jìn)行觀察，裂紋源區(qū)掃描電子顯微鏡SEM形貌如圖4所示，其中裂紋源區(qū)低倍形貌如圖4（a）所示，該區(qū)域呈月牙形；其內(nèi)外的斷口形貌存在明顯差異，區(qū)域內(nèi)相對平整，晶粒較細(xì)，10～20μm，如圖4（b）所示；裂紋源外層解理形貌如圖4（c）所示，呈冰糖狀，晶粒相對粗大，20～80μm，呈現(xiàn)出沿晶解理脆性斷口特征，晶粒大小不均勻。裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌如圖5所示，存在“河流花樣”特征，為穿晶解理斷口［6］，晶粒較為粗大，40～80μm。

圖4 1號樣品裂紋源區(qū)SEM形貌

1.3 金相分析

在2號樣品上取樣做金相觀察，基體金相組織如圖6所示，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，存在混晶現(xiàn)象，晶粒粗大的有4.0～4.5級。

從1號樣品的裂紋源處切開，沿橫截面觀察金相組織，裂紋源區(qū)附近的顯微組織如圖7所示，裂紋源區(qū)附近組織異常，為馬氏體，對應(yīng)圖2所示宏觀觀察到的月牙形位置，外層為鐵素體和珠光體，晶粒不均勻，存在混晶，晶粒尺寸10～80μm，最大晶粒超過150μm。

圖6 2號樣品基體金相組織

1.4 力學(xué)性能和化學(xué)成分分析

在2號樣品上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析和機(jī)械性能檢驗，結(jié)果見表1～2，樣品技術(shù)要求對材料沖擊韌性不做要求，其測試結(jié)果較低。

圖7 1號樣品裂紋源區(qū)附近的顯微組織

表1 2號樣品化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）分析結(jié)果 %

表2 2號樣品機(jī)械性能檢驗結(jié)果

2 分析與討論

樣品的力學(xué)性能結(jié)果和化學(xué)成分分析結(jié)果均符合GB/T 8162—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求［6］。

宏觀分析結(jié)果表明：油缸爆裂斷口為脆性斷口，裂紋起源于油缸外表面焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域。金相分析表明：裂紋源位置組織異常，為馬氏體組織，且晶粒粗細(xì)不均。掃描電鏡分析結(jié)果表明：裂紋源區(qū)斷口形貌為沿晶+少量解理。綜合后分析認(rèn)為，所送樣品發(fā)生脆性開裂的原因如下：

（1）焊接后未及時進(jìn)行去應(yīng)力退火處理或去應(yīng)力退火不到位，導(dǎo)致焊接后形成焊接裂紋，成為裂紋源；

耳環(huán)焊接后，隨著焊縫冷卻，會在其附近產(chǎn)生收縮應(yīng)力，由于馬氏體組織硬度高、塑性差，在收縮應(yīng)力作用下，易形成應(yīng)力集中并產(chǎn)生微裂紋，收縮應(yīng)力隨著焊縫溫度下降而增加，微裂紋數(shù)量不斷增加且持續(xù)擴(kuò)展，最終形成裂紋源［7］；

裂紋源區(qū)組織為馬氏體組織，且存在晶粒不均勻的現(xiàn)象，因此認(rèn)為，該處組織為焊接后的重結(jié)晶組織，且未經(jīng)過去應(yīng)力退火處理。45鋼屬于中碳鋼，重結(jié)晶后獲得的馬氏體組織具有較高的殘余應(yīng)力，如不及時進(jìn)行退火處理，將容易引發(fā)焊接裂紋［5］。

（2）由于缸體外表面存在焊接裂紋，導(dǎo)致缸體在水壓過程中發(fā)生低應(yīng)力脆性開裂。

（3）爆裂的45鋼管為熱軋態(tài)，其晶粒較粗大，因而材料本身抵抗裂紋擴(kuò)張的能力較弱［7-8］；改為正火態(tài)交貨，將會對此現(xiàn)象有所改善［9-11］。

現(xiàn)場調(diào)查發(fā)現(xiàn)，按要求應(yīng)對該批次6支鋼管進(jìn)行正火處理，但其中1支鋼管未經(jīng)正火處理，后續(xù)相同加工條件下，5支鋼管經(jīng)水壓試驗檢驗均已合格，投入使用后運(yùn)轉(zhuǎn)未見異常。由此推測，發(fā)生爆裂的鋼管應(yīng)是未能正火處理的那支管。

3 結(jié)論和建議

3.1 結(jié) 論

（1）所送45鋼液壓油缸缸體的力學(xué)性能結(jié)果和化學(xué)成分分析結(jié)果均符合GB/T 8162—2008標(biāo)準(zhǔn)的要求；

（2）45鋼液壓油缸缸體外表面存在焊接裂紋是導(dǎo)致缸體在進(jìn)行水壓過程中發(fā)生脆性開裂的原因；

（3）對液壓油缸缸體進(jìn)行焊接加工后，未及時進(jìn)行去應(yīng)力退火處理或去應(yīng)力退火不到位，是導(dǎo)致焊接后形成焊接裂紋的直接原因；

（4）嚴(yán)格執(zhí)行技術(shù)要求，采用正火處理細(xì)化晶粒，提高材料本身抵抗裂紋擴(kuò)張的能力。

3.2 建 議

（1）嚴(yán)格控制現(xiàn)場的焊接工藝，焊接后及時進(jìn)行去應(yīng)力退火；

（2）增加有效的焊后無損檢測措施，杜絕缺陷產(chǎn)品進(jìn)入下道工序；

（3）確保所有鋼管正火態(tài)交貨。