HDR超低碳雙相不銹鋼叉型接頭開裂失效分析

陳亞平，韋雨齊，張 華，姚雄飛 ，姜新華

(1. 武漢材料保護研究所有限公司，湖北 武漢 430030；2. 武漢船用機械有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430084 )

0 前 言

某叉型接頭原材料材質(zhì)為艦船用耐海水腐蝕HDR超低碳鐵素體 - 奧氏體雙相不銹鋼，成型工藝為：雙相不銹鋼圓棒→鍛造(始鍛溫度1 180 ℃，終鍛溫度900 ℃，鍛造后空冷)→固溶處理[(1 060±10) ℃保溫6 h，水冷]→線切割→機加工。叉型接頭鍛造毛坯在固溶處理后經(jīng)過超聲波無損探傷，未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，在線切割及機加工后發(fā)現(xiàn)嚴重裂紋。為此，對開裂的HDR叉型接頭通過形貌、成分、性能等分析，以查明其開裂原因。

1 試 驗

1.1 宏觀分析

采用肉眼觀察，發(fā)現(xiàn)叉型接頭在機加工圓孔處開裂，機加工后裂紋從加工圓孔處向外側(cè)擴展，裂紋寬度越來越細。據(jù)使用方介紹，樣品在固溶處理后經(jīng)超聲波無損探傷檢測均未發(fā)現(xiàn)明顯裂紋，線切割或者機加工后產(chǎn)生裂紋，初步推斷該裂紋為機加工過程中應(yīng)力釋放開裂導(dǎo)致。

1.2 斷口分析

制取叉臂處開裂部位沖擊斷口及螺紋接頭處(未發(fā)現(xiàn)裂紋處)沖擊斷口。叉臂處沖擊斷口宏觀形貌平整，無明顯塑性變形區(qū)，呈脆性斷裂特征；螺紋接頭處沖擊斷口存在明顯的塑性變形區(qū)，呈塑性斷裂特征，叉型接頭螺紋接頭和叉臂部位性能存在差異。為進一步了解叉臂脆斷機理，采用JSM - 6510LV掃描電子顯微鏡對沖擊斷口進行微觀分析，晶內(nèi)呈解理穿晶斷裂特征，晶界處存在斷裂臺階，見圖1，說明材料在晶界可能存在脆性相，降低了材料的塑性。

1.3 化學(xué)成分分析

根據(jù)GB/T 11170-2008“不銹鋼 多元素含量的測定 火花放電原子發(fā)射光譜法(常規(guī)法)”，叉型接頭化學(xué)成分分析結(jié)果見表1。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果

叉型接頭的化學(xué)成分符合Q/SJB 12-2013中HDR超低碳鐵素體 - 奧氏體雙相不銹鋼的技術(shù)要求。

1.4 力學(xué)性能檢測

依據(jù)GB/T 228.1-2010“金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法”對叉型接頭的拉伸性能進行檢測，依據(jù)GB/T 229-2020“金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗”檢測叉型接頭的沖擊吸收功，依據(jù)GB/T 4340.1-2009“金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法”，對叉型接頭的維氏硬度進行檢測，檢測結(jié)果如表2。

表2 力學(xué)性能檢測結(jié)果

從叉型接頭力學(xué)性能檢測結(jié)果可以看出，螺紋接頭的力學(xué)性能符合要求。叉臂的力學(xué)性能中斷后伸長率低于標準值，不符合技術(shù)要求，且叉臂縱向和橫向的沖擊吸收功非常低，說明材料的塑性特別差，與斷口分析結(jié)構(gòu)一致，說明叉臂部位的顯微組織可能存在異常。

1.5 金相組織及元素檢測

制取叉型接頭螺紋接頭部位和叉臂部位金相試樣，用Groesbeck試劑(高錳酸鉀4 g，氫氧化鈉4 g，水100 mL ，60～90 ℃熱蝕)浸蝕，叉臂顯微組織沿晶界析出了網(wǎng)狀的灰色相，見圖2。而螺紋接頭顯微組織晶界處未見析出相，見圖3。對叉臂顯微組織中的網(wǎng)狀灰色相(圖4中所選區(qū)域)進行能譜分析，發(fā)現(xiàn)該相成分主要是Cr，F(xiàn)e和Mo，見表3，說明該相為鐵鉻鉬金屬間化合物，該組織為σ相[1]，屬于脆性相，采用面積法測量σ相含量為6%，含量較高。

表3 析出物能譜分析結(jié)果

2 失效原因探析

雙相不銹鋼σ相的析出是按照“α→σ+γ”共析反應(yīng)的方式進行的[2]，優(yōu)先在α/γ的交點處形核，σ相也有在α/γ相界處析出。這與圖2中析出相的位置相一致。σ相開始沿γ/α晶界析出，并向σ相一側(cè)長大[3]。析出的σ相導(dǎo)致雙相不銹鋼的塑韌性急劇下降[4-6]。有文獻表明，僅僅少量的σ相析出就會使沖擊韌性顯著地下降[7-9]。因此，σ相沿晶析出是材料發(fā)生脆性開裂的主要因素。

3 結(jié)論與建議

據(jù)使用方介紹，熱處理工藝是根據(jù)螺紋接頭部位的力學(xué)性能檢測結(jié)果進行調(diào)整的，但是螺紋接頭尺寸較小，直徑為100 mm，而叉臂處尺寸為長435 mm、寬290 mm、高260 mm的方形塊，尺寸較大。在固溶熱處理的過程中2個部位的升溫、冷卻速度不能保證一致，叉型接頭由于體積較大，冷卻速度不夠，造成叉臂處顯微組織中晶界處析出大量σ相，導(dǎo)致材料在線切割及機加工的過程中脆性開裂。建議調(diào)整熱處理工藝，其中適當(dāng)加快冷卻速度可以有效抑制σ相的析出[10]。