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    2Cr13不锈钢螺栓断裂原因分析

    2018-10-06   来源:   点击数:40次 选择视力保护色: 杏仁黄 秋叶褐 胭脂红 芥末绿 天蓝 雪青 灰 银河白(默认色)   合适字体大小:
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     中国钢管信息港据外媒报道:2Cr13钢属于马氏体不锈钢,淬火后经高温回火处理,该钢具有良好的抗弱腐蚀介质能力和综合力学性能,因而被广泛应用于航空、航天以及船舶等各领域,其中也应用于航天紧固件产品。开槽圆柱头螺栓,材料牌号为2Cr13,在成检前发现5件杆部存在轴向裂纹,此批螺栓共计366件,现对其中1件开裂螺栓进行原因分析。该批零件由规格为φ20mm的2Cr13棒材加工制造,其生产工艺流程为:车→铣→钳→热处理→磨→滚丝→清洗→表面处理→试验→成检。
     
    1.试验过程与结果
     
    (1)宏观检查,可见螺栓表面裂纹沿轴向分布,较平直,裂纹从头部台阶处到螺纹端头,总长约35.1mm,肉眼观察,裂纹深度较浅,螺栓外表面未见明显机械损伤。
     
     
     
     
     
     
     
    开槽圆柱头螺栓开裂宏观形貌
     
    (2)金相检查
     
    中国钢管信息港据外媒报道:由于螺栓较长,分段截取进行镶嵌试样。截取开裂螺栓杆部纵截面、横截面进行金相检查,宏观形貌如图2所示。根据GB/T10561试验方法,对开裂螺栓杆部纵截面进行非金属夹杂评级,A类0.5级,B类2级,C类0级,D类0级,DS0级。经4 %硝酸酒精水溶液腐蚀后,螺栓头部发现尺寸约(长4.9mm×宽0.6mm)的条带区域,沿轴向分布,内部为晶粒清晰的等轴晶,明显区别于基体,且对应于开裂位置的延伸线。横向截取开裂螺栓螺纹处腐蚀后,开裂位置未见脱碳现象,条带区深约0.3mm。基体组织为回火索氏体组织。
     
    螺栓正常位置组织
     
    (3)能谱分析
     
    中基体和条带区域进行能谱成分分析(EDS),表1为两区域能谱成分的半定量分析数据。
     
     螺栓基体及条带区域能谱成分(重量百分比)结果(%)
     
    位置
     
    Fe
     
    Cr
     
    Mn
     
    Si
     
    C
     
    基体
     
    84.27
     
    13.70
     
    0.50
     
    0.34
     
    1.19
     
    条带区域
     
    97.05
     
    1.29
     
    0.47
     
    0.10
     
    1.09
     
    可以看出,基体主要成分为Fe(84.27%)、Cr(13.70%)、Si等元素,主要成分符合Cr13型不锈钢要求。条带区域主要成分为Fe(97.05%)、Cr(1.29%)、Si等元素,但Fe、Cr元素明显区别于基体成分。
     
    (4)硬度测试
     
    分别对异常条带区域及基体进行显微硬度测试,测试结果如表2所示。螺栓硬度满足设计要求(26~28.5HRC),偏下限,条带区域的硬度明显偏低。
     
    显微硬度测试结果
     
    测试点
     
    维氏硬度HV0.2
     
    换算为HRC
     
    1点
     
    2点
     
    3点
     
    4点
     
    5点
     
    条带区域
     
    95
     
    93
     
    95
     
    98
     
    85
     
     
    基体
     
    260
     
    258
     
    260
     
    259
     
    258
     
    26.0
     
    2.开裂原因分析
     
    中国钢管信息港据外媒报道:对螺栓横、纵截面金相检查表明,开裂位置存在沿轴向分布条带缺陷。对条带缺陷及正常位置进行能谱成分分析,结果表明条带缺陷区域能谱成分明显区别于基体成分。虽然能谱分析误差较大,通常适用于定性分析,不适合精确的定量分析,但已能够说明问题。从显微硬度结果表明条带区域硬度明显低于基体,从而说明两者存在明显区别。从金相组织看缺陷部位的组织与基体组织明显不同,正常基体为回火索氏体组织,而缺陷位置组织为等轴晶,且具有金属特征。条带异常区域周围未见脱碳现象,未见非金属夹杂聚集现象,故综合分析认为条带区域是异金属夹杂。
     
    铬镍奥氏体不锈钢是最常用的抗腐蚀材料, 而晶间腐蚀是铬镍奥氏体不锈钢容器最常见的失效形式。晶间腐蚀使晶粒间的结合力大大削弱,严重时可使机械强度完全丧失。遭受这种腐蚀的不锈钢,表面看来还很光亮,但经不起轻轻敲击便破碎成细粒。由于晶间腐蚀不易检查, 所以, 造成设备的突然破坏,它的危害性很大,应引起我们足够的重视。
     
       铬镍奥氏体不锈钢容器基本上是靠焊接成型的, 而焊接接头两侧是晶间腐蚀敏化区, 它总是比母材先受到腐蚀破坏。通过焊后热处理,提高焊缝区抗晶间腐蚀的能力, 达到和母材同等程度, 这是我们追求的目标,是我们进行焊后热处理的初衷。但是在付诸实践中, 有许多因素要考虑, 比如: 焊件整体结构形状复杂, 焊后热处理工艺参数难以保证, 因此, 实际上绝大部分在役的铬镍奥氏体不锈钢在焊后态使用。
     
       对用于抗晶间腐蚀的铬镍奥氏体不锈钢制容器焊缝区是否作固溶处理或稳定化处理, 不能简单的一概而论, 应具体分析容器的结构形状, 分析是否能保证热处理的效果, 否则即使我们提出了焊后热处理的要求, 但往往会事与愿违, 不仅达不应有的效果,反而会影响母材的组织结构。
     
        为了提高铬镍奥氏体不锈钢容器抗晶间腐蚀的能力, 必须针对具体的腐蚀环境, 依据腐蚀机理, 首先选材时可选超低碳不锈钢, 稳定化不锈钢, 焊接时选用正确的焊接方法, 恰当组合上述几种防止和控制措施, 才能取得好的效果, 不能单纯依赖焊后固溶或稳定化处理。
     
    经了解,此原材料棒材为电渣钢,在冶炼过程中合金料未完全熔化,或者不慎混入其他未熔化金属均有可能形成异金属夹杂,微观上表现为异金属部位组织与基体组织有明显的界线,且自身的硬度与基体的硬度存在明显差异。综合分析认为此缺陷应是材料电渣熔炼过程中有异金属混入所致。由于该缺陷沿轴向分布,破坏了螺栓整体组织的完整性,降低了金属的塑性和强度,且位于零件表面,在后续机加工过程中因强度不足造成表面开裂。中国钢管信息港据外媒报道
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