水箱管座裂紋分析

王玉環(huán) 王春生

（中車青島四方機車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

1 概述

據(jù)統(tǒng)計，每年全世界因腐蝕報廢的金屬約為一億噸，全世界每年因腐蝕報廢的鋼鐵設備相當于年產量的30%。而晶間腐蝕是金屬腐蝕的一種常見的局部腐蝕，腐蝕從金屬表面開始，沿著晶界向晶粒內部發(fā)展，使晶粒間的結合力大大減弱，降低了材料的強度，嚴重時可使材料的機械強度完全喪失，它是危害性很大的局部腐蝕形式之一[1]。晶間腐蝕損傷是指金屬材料或構件沿晶界產生并沿晶界擴展而導致金屬材料或構件的損傷，因而也稱作晶界腐蝕[2]。金屬構件的晶間腐蝕不僅降低了機械性能，而且由于難以發(fā)現(xiàn)，易于造成突然失效,腐蝕發(fā)生后看不出被破壞的跡象，但由于晶界被破壞，晶粒間結合力顯著減弱、力學性能惡化,是一種很危險的腐蝕。

某型號運行列車在庫內檢修時，檢修人員發(fā)現(xiàn)走廊墻板上方有水跡。對走廊頂板進行檢查，發(fā)現(xiàn)車頂水箱與排水管路連接的焊接接頭存在貫穿性裂紋，水箱管座有2 條明顯的貫穿裂紋，從管座頂部延伸至焊接底座。檢查車頂水箱其它部位、供排水管路及彎頭無滲漏等異?，F(xiàn)象（圖1-2）。

圖1 焊接接頭處存在裂紋

圖2 水箱管座裂紋

2 腐蝕裂紋的分析

2.1 宏觀特征分析

管座試樣沿裂紋分開成斷口，其宏觀形貌如下圖。其中，圖3 可見靠近螺牙部位有疑似生料帶狀物，樣品銹跡嚴重。從生料帶已進入螺紋內部的情況看，在上次檢修時，螺牙上已經有了開放性裂紋。

圖3 沿裂紋分開的螺紋部位

管座樣塊沿縱向刨開，經過打磨拋光，在超景深成像系統(tǒng)下觀察，縱切面靠近螺紋底部可見明顯腐蝕坑，長度約2 個螺距(圖中圈起區(qū)域所示)，部分區(qū)域發(fā)生掉塊缺失，如圖4。

圖4 縱切面螺紋底部腐蝕坑

2.2 化學成分分析

從斷裂樣品取樣，用Thermo ARL4460 直讀光譜儀做化學成分分析，結果如表1。

表1

從檢測結果可以看出，樣品的硫含量偏高、鈦元素含量過低；碳含量處于高限，鎳、鉻等元素的含量處于合格線下限邊緣。

2.3 顯微組織檢驗

對樣品外橫截面制樣，用Leica DM 6000M 顯微鏡做金相分析，樣品的顯微組織為奧氏體+少量碳化物，部分沿晶分布。有少量硫化物夾雜沿縱向分布，如圖5。裂紋兩側有晶間腐蝕現(xiàn)象，在主裂紋中部有一條二次裂紋，其他區(qū)域無腐蝕現(xiàn)象，如圖6。

對縱剖面制樣檢驗，夾雜物等級為A 0.5,D 1，較輕微，螺紋處的未旋合部分有嚴重的晶間腐蝕，部分區(qū)域晶粒脫落嚴重；均勻腐蝕深度約為從牙底開始的2mm，極端處裂紋已達5mm，見圖7。管座的壁厚為10mm,而最嚴重的區(qū)域腐蝕深度已達一半以上，減小了有效承載面，最后導致了開裂。

圖5 顯微組織為奧氏體+少量碳化物

圖6 裂紋周圍可見有晶間腐蝕

2.4 掃描電子顯微鏡斷口分析

在Zeiss EVO15 掃描電子顯微鏡下觀察管座試樣縱切面的腐蝕區(qū)域，部分區(qū)域晶粒剝落嚴重，宏觀表現(xiàn)為腐蝕坑，如圖8。相距腐蝕不遠處觀察，可以明顯看出晶間腐蝕產生的晶界，如圖9。

電子顯微鏡下觀察管座試樣的斷口形貌，可觀察到形成的泥狀花樣形貌，典型的晶間腐蝕形貌，如圖9。部分晶間腐蝕嚴重區(qū)晶粒脫落，當腐蝕區(qū)域擴展長大，最后形成沿晶斷裂斷口，如圖10。

圖7 螺牙底部晶間腐蝕

圖8 管座縱切面靠近螺紋的腐蝕坑

圖9 靠近腐蝕坑區(qū)的晶間腐蝕

圖10 晶間腐蝕形成泥狀花樣形貌

3 綜合分析

圖11 晶粒脫落形成的紋理清晰的斷口

根據(jù)理化檢驗結果可知，失效件碳、硫等非金屬元素含量過高，而鉻、鎳、鈦等金屬元素偏低。硫在奧氏體不銹鋼中主要視為有害雜質，其有害作用主要表現(xiàn)為形成的MnS 易溶于酸性氯化物溶液，降低奧氏體不銹鋼的耐蝕性；高溫下MnS 沿晶界沉淀，影響不銹鋼的熱加工性；形成硫化物夾雜，影響不銹鋼質量。在奧氏體不銹鋼中，碳含量常被視為有害元素，含量不宜過高，碳與鋼中的鉻形成高鉻的Cr23C6，從而導致局部鉻的貧化，使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能下降。合金元素鉻、鎳均會提高奧氏體不銹鋼的耐蝕性，而該樣品鉻、鎳含量處于低限。并且鈦一般作為穩(wěn)定化元素加入不銹鋼中，Ti 與碳的親和力遠大于鉻，其優(yōu)先與碳結合形成TiC，防止或減少Cr23C6的形成從而達到防止敏化態(tài)晶間腐蝕的目的，其含量也不符合標準要求。

管座未旋合部分因為與水接觸腐蝕嚴重，旋合部分未見晶間腐蝕。研究表明，不銹鋼在Cl-、高溫水等環(huán)境下易發(fā)生應力腐蝕開裂，管座在焊接過程中，部分區(qū)域由于受焊接熱影響，處于敏化溫度的范圍之內，在腐蝕介質作用下，這一部位就容易發(fā)生晶間腐蝕。在650℃-750℃加熱一定時間，其晶間腐蝕更為敏感。這種腐蝕在某些熱處理條件下由于碳化鉻沿晶界析出，在臨近晶界處形成貧鉻區(qū)及該區(qū)在腐蝕介質中優(yōu)先溶解所造成的。因為這種腐蝕是晶粒間喪失結合力以致材料的強度幾乎完全消失。金屬發(fā)生晶間腐蝕后，外觀上幾乎不會有任何變化，幾何尺寸及金屬表面光澤不變，但其強度和伸長率顯著降低。當受到冷彎變形、機械碰撞或流體的劇烈沖擊后，金屬表面出現(xiàn)裂紋，甚至酥脆，稍加外力晶粒自行脫落，失去金屬聲。當表面存在電解質時，致使晶粒邊界的基體金屬電極電位降低，腐蝕邊由晶界產生而逐漸向內部發(fā)展。通過以上分析, 該水箱管座屬于沿晶脆性斷裂。管座材質成分不達標是引起晶間腐蝕裂紋的主要原因，焊接過程的熱影響是腐蝕破壞的重要條件，而工作環(huán)境中接觸含有Cl-的潮濕環(huán)境加速了裂紋長大。

4 討論與建議

4.1 使用符合要求的材料，加入穩(wěn)定化元素減少形成碳化鉻的可能性，加入適量的鈦或鈮等元素。

4.2 減少焊縫中的含碳量，可以減少和避免形成鉻的碳化物，從而降低形成晶界腐蝕的傾向，含碳量在0.04%以下，形成“超低碳”不銹鋼，可以避免鉻的碳化物生成。

4.3 控制在危險溫度區(qū)的停留時間，防止過熱，快焊快冷，使碳來不及析出，有條件的情況下最好焊后進行固溶處理。