試壓塞體內(nèi)壁開裂失效分析

金林奎

1.狀態(tài)說明

試壓塞體件用于石油管道及閥門性能測驗(yàn)，材料本身應(yīng)具有較高的強(qiáng)度和韌性。該產(chǎn)品的材質(zhì)為42CrMo中碳低合金調(diào)質(zhì)鋼，工件內(nèi)孔直徑900mm，外圓直徑1800mm，重量達(dá)850kg，熱加工要求調(diào)質(zhì)處理。

對(duì)于這種大型工件，當(dāng)時(shí)采用的調(diào)質(zhì)工藝是：箱式多用爐低溫入爐，緩慢加熱至850℃溫度保溫5h，然后出高溫爐膛入前室預(yù)冷淬火，淬火冷卻介質(zhì)采用的是等溫淬火油；淬火后在200℃左右?guī)爻鲇?，利用出油余熱產(chǎn)生自回火，以消除淬火應(yīng)力，回火工藝為640℃保溫6h，然后同樣在油中冷卻。

調(diào)質(zhì)處理后的試壓塞體，經(jīng)過表面硬度檢測，結(jié)果符合圖樣要求。用戶后序切削加工時(shí)，發(fā)現(xiàn)工件的內(nèi)壁有幾條縱向裂紋，目測裂紋深度較淺（見圖1、圖2）。由于工件內(nèi)壁經(jīng)過較大尺寸的切削加工，目前已無法對(duì)工件外表面的裂紋進(jìn)行更詳細(xì)的了解，只能對(duì)現(xiàn)有的較淺的殘留裂紋進(jìn)行檢測。對(duì)于質(zhì)量反饋的開裂失效件，我們在殘留裂紋部位線切割取樣，提取樣塊進(jìn)行理化檢測和分析。

2.化學(xué)成分

在線切割的樣塊上，截取20mm×20mm×15mm（長×寬×厚）的試樣，進(jìn)行化學(xué)成分檢驗(yàn)，檢驗(yàn)設(shè)備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢驗(yàn)結(jié)果（見附表）表明化學(xué)成分符合材料標(biāo)準(zhǔn)要求。

3.金相檢驗(yàn)

用光學(xué)顯微鏡進(jìn)行金相觀察，裂紋的擴(kuò)展顯示為沿晶斷裂的脆性組織特征形貌。在裂紋的端部，裂紋內(nèi)部兩側(cè)布滿淺灰色的氧化物，且氧化物之間有一定的間隙（見圖3）。在裂紋的中部，裂紋內(nèi)幾乎填滿氧化物，氧化物之間只有小量間隙（見圖4）。

圖1 工件內(nèi)壁裂紋(實(shí)物)

圖2 裂紋取樣部位(實(shí)物)

試壓塞體件化學(xué)成分檢驗(yàn)結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖3 裂紋端部氧化物 100×

圖4 裂紋中部氧化物 100×

裂紋下部已經(jīng)完全被氧化物浸潤，氧化物之間無任何間隙，裂紋的尾部顯示圓鈍狀。斷裂擴(kuò)展的形態(tài)，顯示出曲折分布的脆性組織沿晶斷裂特征形貌（見圖5）。在金相顯微鏡低倍下觀察，裂紋內(nèi)的氧化物呈銀亮色，此時(shí)觀察氧化物特征效果更加明顯（見圖6）。

金相組織顯示，低倍下可見大量黑色組織圍成連續(xù)網(wǎng)狀。這種組織形態(tài)是由于碳化物沿晶界析出造成的。鍛造加熱溫度在1200℃以上高溫長時(shí)間加熱，鍛造后緩慢冷卻，形成這種粗大的沿晶析出的富碳脆性組織。黑色組織圍成的粗大晶粒，平均晶粒直徑達(dá)1.25mm。這種晶粒直徑所對(duì)應(yīng)的晶粒度，已經(jīng)無法用標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行定級(jí)，晶粒度級(jí)別已遠(yuǎn)超出國家標(biāo)準(zhǔn)GB/T6394—2002所描述的最粗級(jí)別。該組織級(jí)別是最粗晶粒度級(jí)別0級(jí)的4倍；過熱組織級(jí)別3級(jí)晶粒度的10倍；合格組織最粗晶粒度級(jí)別5級(jí)的20倍（見圖7、圖8）。

由于加熱溫度太高，已經(jīng)形成嚴(yán)重的穩(wěn)定化過熱組織。在形成粗大網(wǎng)狀組織的同時(shí)，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物也沿晶界析出。這種鍛造的粗大原始網(wǎng)狀組織，在后期熱處理時(shí)是無法消除的，因?yàn)榱蚧F、硫化錳等非金屬夾雜物必須在1200℃以上才能溶解，像42CrMo這樣的低合金調(diào)質(zhì)鋼，正常的熱處理溫度不可能升高到1200℃的高溫，這是熱處理組織遺傳的原因。

形成這種粗大的網(wǎng)狀組織脆性非常大。其一原因：由于加熱溫度非常高，材料組織的晶粒急劇長大，晶粒界面顯著寬化，晶間結(jié)合力嚴(yán)重弱化。其二原因：在1200℃以上的鍛造高溫下，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物發(fā)生溶解，固溶到晶內(nèi)組織中，然后在鍛造后期緩慢冷卻過程中，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物又會(huì)沿晶界析出，形成抗拉強(qiáng)度及沖擊韌度極低的脆性相。

金相組織顯示，原始粗大晶內(nèi)的低碳區(qū)，組織為板條馬氏體位向的回火索氏體＋較多量的條塊狀鐵素體，其組織含碳量低于42CrMo原材料的含碳量（見圖9）。沿原始粗大晶界分布的富碳區(qū)，組織為板條及片狀馬氏體混合位向的回火索氏體＋極少量的顆粒狀鐵素體，表明該區(qū)域的含碳量比晶內(nèi)低碳區(qū)的含碳量高得多（見圖10）。

4.結(jié)論分析

（1）試壓塞體件內(nèi)壁形成的裂紋屬于鍛造熱裂紋，這是由于鍛造加工時(shí)，加熱溫度太高，材料基體已經(jīng)形成穩(wěn)定化過熱組織。晶粒急劇長大，晶界顯著寬化，晶間嚴(yán)重弱化。在冷卻過程中，由于工件特別大，冷卻速度非常緩慢，粗大晶粒內(nèi)的碳化物有足夠時(shí)間沿晶界析出，增加了材料的脆性。在碳化物沿晶界析出的同時(shí)，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物也沿晶析出，使材料脆性進(jìn)一步增加。此時(shí)材料自身的抗破斷強(qiáng)度，已遠(yuǎn)低于鍛造產(chǎn)生的應(yīng)力，于是造成試壓塞體工件的鍛造開裂。

圖5 裂紋尾部氧化物 100×

圖6 裂紋內(nèi)氧化物 40×

圖7 原始粗大晶粒 40×

圖8 原始粗大晶粒 40×

圖9 低碳區(qū)組織 400×

圖10 富碳區(qū)組織 400×

（2）由于出現(xiàn)這種超高溫的穩(wěn)定化過熱組織，材料已經(jīng)發(fā)生晶界脆化和晶界弱化，鍛造開裂是難以避免的。也正是因?yàn)殄懺旒庸さ母邷馗邏?，使鍛后開裂部位又重新焊合，并且在工件表面覆蓋了很厚的氧化皮，因此在后期調(diào)質(zhì)處理時(shí)，裂紋沒有得到擴(kuò)展，甚至在裂紋尾部都沒有張開。調(diào)質(zhì)處理后切削加工，材料的組織應(yīng)力得到釋放，裂紋端部稍微有所張開，這種組織應(yīng)力在裂紋中部得到緩解，而在裂紋的尾部則完全沒有受到切削加工后應(yīng)力釋放的影響，仍然表現(xiàn)為被氧化物浸潤的致密組織。因此，調(diào)質(zhì)處理后未發(fā)現(xiàn)鍛造裂紋，鍛造裂紋在切削加工后才顯出來。