翟金輝
(航天晨光股份有限公司,南京 211100)
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。
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 %
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
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)。
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
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
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。
(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。