換熱器接管鍛件泄漏失效分析

翟金輝

(航天晨光股份有限公司，南京 211100)

1 情況簡介

某換熱器用接管鍛件(材料為12Cr5MoⅣ、規(guī)格?360/240 mm×560 mm)在水壓試驗過程中，當水壓加壓到約39 MPa時,出現(xiàn)了部件接管滲水現(xiàn)象，失效部位如圖1所示，故從該部位取樣進行分析。

2 理化檢驗

2.1 化學分析

利用HW-2000型高頻紅外碳硫分析儀等設(shè)備在失效部位取樣進行化學成分分析，結(jié)果如表1所示。其成分符合NB/T 47008—2017《承壓設(shè)備用碳素鋼和合金鋼鍛件》[1]的要求。

圖1 鍛件失效部位

表1 鍛件的化學成分 %

2.2 宏觀金相

在失效部位切取金相試樣，經(jīng)機械研磨、拋光后在體式顯微鏡下進行觀察，如圖2所示?？梢钥闯?，試樣沿周向有許多短裂紋，拋光態(tài)下呈曲折狀，并沿徑向穿孔。

圖2 裂紋宏觀形貌

2.3 金相組織

圖3 裂紋附近顯微組織 200×

圖4 遠離裂紋部位顯微組織 200×

試樣經(jīng)硝酸酒精腐蝕后，在金相顯微鏡下觀察，如圖3所示。在裂紋中有氧化鐵，裂紋兩側(cè)呈現(xiàn)大量的鐵素體組織，屬脫碳現(xiàn)象；裂紋缺陷呈條帶狀，由表向內(nèi)伸展，且兩側(cè)及內(nèi)部均密布夾雜物。遠離裂紋部分顯微組織如圖4所示，可以看出有明顯的魏氏組織形態(tài)。

2.4 顯微硬度檢查

對裂紋兩側(cè)50～70 μm脫碳層和遠離裂紋200 μm處，在FM-700型顯微硬度計上進行硬度測定，由圖5，6可知，脫碳層區(qū)域的硬度值(124.47 HV0.05)要低于鐵素體+粒狀貝氏體的硬度值(126.83 HV0.05)。

圖5 裂紋邊緣脫碳層顯微硬度

圖6 遠離裂紋部分顯微硬度

2.5 掃描電鏡檢查

在FEl Quanta200型掃描電鏡下對裂紋進行觀察，如圖7，8所示。多數(shù)情況下裂紋呈現(xiàn)不規(guī)則的皺折裂縫或空洞，在其上或附近伴有嚴重的疏松、夾雜物(夾渣)和成分偏析等。裂紋尾部圓鈍，呈曲折形的沿晶裂紋形態(tài)。

圖7 掃描電鏡下的裂紋形貌 2 400×

圖8 掃描電鏡下的裂紋尾部形貌 1 000×

圖9，10分別為點1、點2(如圖7所示)夾雜物的X射線能譜圖。由夾雜物的光學特性和能譜分析可知，點1的塊狀物為O-Cr-Fe的復(fù)雜夾雜物。中心黑色區(qū)域(點2)為Fe的氧化物(FeO，F(xiàn)e2O3，F(xiàn)e3O4)，一般情況下，三者共存。Fe3O4是鋼加熱時產(chǎn)生的氧化皮中的重要成分，在明場下，三者均為灰色，用4%硝酸酒精侵蝕后，F(xiàn)eO變暗，而其他兩種不變,Fe2O3是六角晶系，在偏振光下為各向異性，F(xiàn)e3O4為各向同性，可按其光學特性進行區(qū)分[2]。

圖9 點1夾雜物能譜分析

圖10 點2夾雜物能譜分析

3 結(jié)果與討論

在NB/T 47008—2017中，對磷、硫含量有了更進一步的要求，相應(yīng)的技術(shù)要求也高于ASME標準的技術(shù)要求[3-5]。為防止氫脆、回火脆性等嚴重損傷，對材料的純凈度、均質(zhì)性和綜合力學性能等提出了更為苛刻的高標準要求，從化學分析結(jié)果來看，磷、硫含量處于合格的邊緣范圍，對材料的性能有一定影響[6]。

裂紋的宏觀和微觀組織結(jié)構(gòu)及能譜分析結(jié)果如下。

(1)金屬在熱鍛時，各晶粒發(fā)生變形再結(jié)晶。在鍛造溫度降低到低于再結(jié)晶溫度，則變形的晶粒不發(fā)生破碎，不能形成新的晶粒，就有可能發(fā)生開裂[7]。裂紋尖端部分圓鈍，多呈曲折形的沿晶斷裂形貌，且裂紋內(nèi)部伴有大量夾雜物，由此可推斷，裂紋不是在后期的機加工和水壓試驗中形成，而是鍛件本身固有缺陷。

(2)裂紋呈現(xiàn)不規(guī)則的皺折裂縫或空洞，在其上或附近伴有嚴重的疏松、夾雜物(夾渣)和成分偏析等，屬于殘余縮孔的特征，這類缺陷多在大型鋼錠澆注過程中產(chǎn)生[8]。裂縫附近是否存在嚴重夾雜物、疏松和化學成分偏析是區(qū)別殘余縮孔和鍛造內(nèi)裂縫的主要差異之一。殘余縮孔產(chǎn)生的原因是鋼液在凝固時，由于產(chǎn)生凝固體積收縮和凝固后隨溫度下降所產(chǎn)生的固態(tài)收縮，這樣鋼液在錠模由外向里逐漸結(jié)晶時，由凝固收縮和固態(tài)收縮使錠模中心的鋼液體積縮小而集中，鋼錠上部中心形成縮孔；鍛造時，如切除量不夠，殘留下來即形成殘余縮孔。在大型鍛件的制造過程中，殘余縮孔的空洞經(jīng)常引發(fā)鍛造裂紋，屬不允許存在的缺陷[9]。在NB/T 47008—2017中明確規(guī)定，鍛造使用的鋼錠頭尾應(yīng)有足夠的切除量，以確保鍛件無縮孔及嚴重偏析等缺陷[1]。

(3)由金相及能譜分析可知，裂紋內(nèi)有大塊氧化物夾雜，在裂紋附近區(qū)域并有脫碳現(xiàn)象，且有少量的魏氏組織形態(tài)，說明此系鍛坯加熱時，由于溫度過高所造成的嚴重過燒，這種組織的存在對于鍛件的塑性和韌性的影響較大[10-11]。

(4)12Cr5Mo鋼屬于珠光體型耐熱鋼，鋼中含有Cr(4.0%～6.0%)和Mo(0.5%～0.6%)，從而具有較好的高溫蠕變強度。鉻在固溶體(α相和γ相)和碳化物相內(nèi)的濃度不同，在相變時，需要重新分布。由于鉻在鐵內(nèi)的擴散移動速度比較緩慢，同時也使碳的擴散速度減慢，因此降低了鋼的臨界冷卻速度和縮短奧氏體分解的孕育期，使12Cr5Mo的奧氏體等溫轉(zhuǎn)變曲線中珠光體轉(zhuǎn)變和貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)完全分開，并使貝氏體轉(zhuǎn)變區(qū)域向低溫區(qū)域移動[12]。因此，12Cr5Mo奧氏體化空冷情況下，很容易得到貝氏體以至馬氏體組織。12Cr5Mo鋼常用的熱處理工藝為900 ℃正火后、650 ℃回火或900 ℃油淬后、650 ℃回火，隨著回火溫度的升高，組織中的馬氏體開始分解，逐步形成回火索氏體[13]。但從顯微組織的形態(tài)來看，可以推斷，鍛后熱處理工藝并未嚴格按此進行，屬完全奧氏體化不充分。

4 結(jié)論

(1)裂紋系鍛件本身固有，而非后期機加工和水壓試驗所致。

(2)殘余縮孔為鑄錠常見缺陷，鍛件裂紋主要是由于鋼坯切除余量不夠造成的。

(3)裂紋邊緣脫碳層及魏氏體組織說明，鍛打前，鍛件存在局部過燒現(xiàn)象。

(4)鍛后熱處理正火時，加熱溫度偏低或保溫時間不夠，造成未等鍛件完全奧氏體化后就進行空冷的情況。

(5)對使用環(huán)境要求較高的場合，除按標準要求進行常規(guī)化學成分及力學性能復(fù)驗外，還應(yīng)進行低倍檢驗和金相檢驗，并明確具體的檢驗項目和合格級別。