膨脹節(jié)加工過程中崩裂失效分析

張健

國家再制造機械產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心（山東） 山東泰安 271000

膨脹節(jié)主要作用是補償管路軸向變形作用的撓性元件?？裳a償管體和殼體因溫差等因素產(chǎn)生的膨脹差，減少負荷，避免引起強度和失穩(wěn)破壞等，在管道輸送中起到重要作用，其中以波形膨脹節(jié)使用最為廣泛。某廠家采用壓力容器用鋼板Q355R（板厚36mm）加工最大直徑3m的膨脹節(jié)，工序為：下料→卷板→卷板焊接→焊縫無損檢測→正火→壓力成形→焊接→焊縫無損檢測→機械加工→成檢。壓力成形過程如圖1所示，在壓制波形起鼓還沒有明顯發(fā)生塑性變形時，突然在波峰處發(fā)生脆性崩裂，部分金屬飛出。為找出失效原因，避免類似事件再次發(fā)生，對崩裂膨脹節(jié)進行檢測分析。

圖1 膨脹節(jié)波形壓力成形示意

1 理化檢測

1.1 斷口宏觀檢測

經(jīng)觀察，斷口有閃亮的顆粒狀金屬光澤，沒有明顯撕裂痕跡，顯示為脆性斷裂；在波峰崩裂處中間位置發(fā)現(xiàn)有明顯不同于其他斷口光澤的長條狀組織，沿鋼板卷板圓周方向連續(xù)分布，總長度約280mm，中心線距鋼板外表面5～10mm（見圖2）。

圖2 斷口宏觀形貌

1.2 斷口微觀檢測

在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，基體和條狀區(qū)域斷口均為解理斷裂[1]，宏觀上屬于脆性斷裂，微觀形貌顯示為穿晶斷裂。在基體斷口上明顯看出河流花樣的條紋，并伴隨有明顯的臺階和次生裂紋（見圖3）；但在條狀區(qū)域斷口內(nèi)部，同比例下河流花樣的紋路短小，臺階較小，伴生的裂紋明顯較少（見圖4），放大觀察可以看出不同取向的索氏體晶粒穿晶斷裂形貌（見圖5）；在交界線上可以明顯看出二者的區(qū)別，基體區(qū)域河流花樣的條紋大，臺階明顯，而條狀區(qū)域同比例下顯得斷面平整，變形?。ㄒ妶D6）。說明條狀區(qū)域內(nèi)相對基體晶粒細小，但韌性差。

圖3 基體斷口微觀形貌

圖4 條狀區(qū)域斷口微觀形貌

1.3 成分檢測

依據(jù)GB/T 713—2014《鍋爐和壓力容器用鋼板》標(biāo)準(zhǔn)，采用真空直讀光譜儀對斷口試樣成分進行檢測，結(jié)果表明，樣品成分符合GB/T 713—2014標(biāo)準(zhǔn)中Q355R成分要求（見表1）。

1.4 金相檢測

圖5 條狀區(qū)域索氏體晶粒穿晶斷裂

圖6 交界線斷口微觀形貌（基體在下）

從圖2所示位置，垂直緊鄰斷口取樣，分段截取進行鑲嵌。拋光后經(jīng)4%硝酸酒精溶液腐蝕，宏觀觀查發(fā)現(xiàn)存在條狀區(qū)域，區(qū)別于基體（見圖7）。圖8是二者交界附近金相組織，自上而下可以看出基體、過渡區(qū)、條狀區(qū)域金相組織，三者有著明顯區(qū)分，其中基體組織為帶狀鐵素體和珠光體，白色的鐵素體占多數(shù)，按照工藝要求，鋼板經(jīng)過了正火處理，但仍基本保留了軋制組織取向。研究表明，Q355R鋼板拉伸性能與鐵素體、珠光體是否呈帶狀并不敏感[2]，因此基體組織屬于正常組織；條狀區(qū)域組織由索氏體、馬氏體和少量游離鐵素體構(gòu)成（見圖9），內(nèi)部伴有明顯裂紋（見圖10）；二者過渡區(qū)域中，帶狀組織逐步成為網(wǎng)狀鐵素體和珠光體（見圖8、圖11）。

1.5 顯微硬度檢測

金相檢測后分別對基體、條狀區(qū)域及過渡區(qū)進行顯微硬度檢測，結(jié)果見表2。由表2看出，條狀區(qū)域與基體有明顯的硬度差，條狀區(qū)域的硬度相對較高；受條狀區(qū)域影響，過渡區(qū)域硬度有所上升。

表1 斷口樣品的化學(xué)成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

圖7 金相腐蝕后宏觀形貌

圖8 基體、過渡區(qū)、條狀區(qū)域金相組織（自上而下）

圖9 條狀區(qū)域金相組織

圖10 條狀區(qū)域內(nèi)裂紋

圖11 過渡區(qū)金相組織（過渡區(qū)在上）

表2 顯微硬度檢測結(jié)果 （HV）

2 崩裂原因分析

通過檢測發(fā)現(xiàn)，鋼板壓力成形崩裂位置存在著周向分布的條狀缺陷。從金相組織看，條狀區(qū)域?qū)儆阡撹F組織，與正?；w組織明顯不同，為索氏體、馬氏體、游離鐵素體的混合組織，基體為正常的帶狀組織，二者有著明顯的過渡區(qū)域和分界線。從微觀斷裂形貌上看，雖都屬于穿晶斷裂，但基體斷口河流花樣條紋更明顯，變形大，這是由于基體組織呈帶狀且鐵素體占多數(shù)有關(guān)，而鐵素體塑性很高；條狀區(qū)域斷口相對基體平整，說明二者韌性不同，條狀區(qū)域晶粒細小，但韌性較差。綜合分析認為，條狀區(qū)域?qū)儆诋惤饘賷A雜。

從過渡區(qū)域可以看出，正常基體的帶狀組織逐步過渡為網(wǎng)狀鐵素體和珠光體組織，而帶狀組織需經(jīng)過充分奧氏體均勻化后，以一定冷卻速度降溫后才能變?yōu)榫W(wǎng)狀，說明異金屬夾雜以高溫塊狀形態(tài)混入基體，其高溫狀態(tài)使得周圍的組織奧氏體化，冷卻后變?yōu)榫W(wǎng)狀，屬于異金屬夾雜的熱影響區(qū)。

由于鋼板缺陷沿鋼板卷板周向分布，因此組織、硬度、韌性與基體有明顯差異，破壞了膨脹節(jié)整體組織均勻性，且位置恰好位于膨脹節(jié)波形起鼓處，屬于受力與變形最大處，導(dǎo)致鋼板無法承受水壓成形的巨大壓力，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，繼而發(fā)生崩裂。

3 結(jié)論與建議

1）通過以上分析得出：用于加工膨脹節(jié)的鋼板存在異金屬夾雜，破壞了鋼板組織的均勻性，且位置正好處于壓力加工變形最大處，使得膨脹節(jié)在壓力成形過程中因產(chǎn)生應(yīng)力集中而崩裂失效。

2）對原材料進行超聲波檢測：此膨脹節(jié)采用的Q355R鋼板屬于鍋爐和壓力容器用鋼板，對應(yīng)國家標(biāo)準(zhǔn)為GB/T 713—2014。其標(biāo)準(zhǔn)并未對超聲波檢測進行強制要求，僅指出根據(jù)需方要求檢測，“檢測標(biāo)準(zhǔn)和合格級別應(yīng)在合同中注明”[3]。出于成本考慮，廠家重焊接檢測、輕原材料檢測，對于采用壓力加工工藝的產(chǎn)品來說，應(yīng)在加工前進行超聲波檢測或讓供方提供保證證明，否則在水壓成形過程中壓力巨大，一旦發(fā)生崩裂，容易造成安全生產(chǎn)事故。此外，此次缺陷處于受力最大處，一旦位于受力較低的地方，缺陷容易被忽視而流轉(zhuǎn)到下道工序，甚至流向市場，造成不必要的安全隱患。