上海雄鋼特種合金有限公司

某電廠汽輪機(jī)累記運(yùn)行10630h后，在一次正常檢修中發(fā)現(xiàn)中壓缸汽封彈簧片多數(shù)發(fā)生了斷裂。汽封彈簧片設(shè)計(jì)材質(zhì)GH4169/SQ-P6,工作溫度480℃左右。對(duì)斷裂彈簧片進(jìn)行失效分析，試驗(yàn)分析用斷裂彈簧片規(guī)格兩種分別為δ=5mm,δ=4mm,彈簧片形狀為長(zhǎng)280mm,寬8mm的弧形長(zhǎng)條。

1實(shí)驗(yàn)與分析

1.1宏觀分析

汽封彈簧片的斷裂均斷在弧形長(zhǎng)條中間處。兩試樣斷口平整,粗糙,斷口與最大正應(yīng)力方向垂直,無(wú)明顯塑性變形,均為脆性斷口。規(guī)格δ=5mm斷裂試樣經(jīng)金相砂紙磨制后,肉眼可見裂紋;距斷口3mm,長(zhǎng)度單面厚度方向上幾乎貫穿,單面寬度方向上也幾乎貫穿。

1.2化學(xué)成分分析

采用ARL-3460直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析,與《GB/T14203-1993鋼鐵及合金光電發(fā)射光諧分析法通則》相比較,結(jié)果見表1?？芍浠瘜W(xué)成分均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.3顯微組織分析

在試樣側(cè)面即厚度方向上做金相分析。金相試驗(yàn)依據(jù)《GB13298-91金屬顯微組織檢驗(yàn)方法》進(jìn)行，顯微組織采用王水腐蝕,在OLYMPUS-PMG3金相顯微鏡下觀察。

規(guī)格δ=5mm斷裂試樣，該試樣晶粒較粗大且尺寸大小不均勻,晶粒度級(jí)別3級(jí),規(guī)格δ=4mm斷裂試樣,該試樣晶粒尺寸大小不均勻,晶粒度級(jí)別5級(jí),如圖1所示。

規(guī)格δ=5mm斷裂試樣，其金相組織為孿晶奧氏體組織，在晶內(nèi)及晶界上有較多碳化物及夾雜物析出,且在晶界上可見斷續(xù)分布,這就造成晶界結(jié)合力大大下降，同時(shí)晶粒粗大使得部件的疲勞性能大大下降,規(guī)格δ=4mm斷裂試樣,金相組織為孿晶奧氏體組織，在晶內(nèi)及晶界上有較大團(tuán)絮狀?yuàn)A雜物析出,如圖2所示。

規(guī)格δ=5mm斷裂試樣其顯微裂紋，裂紋沿晶界擴(kuò)展并可見沿晶界的二次裂紋，裂紋端部形貌如圖3所示,端頭止住向垂直方向擴(kuò)展;規(guī)格δ=4mm斷裂試樣其顯微裂紋如圖4所示，裂紋沿晶界擴(kuò)展并可見沿晶界的二次裂紋。晶內(nèi)晶界上均有數(shù)量較多且顆粒較大的碳化物及析出物產(chǎn)生，裂紋由心部質(zhì)點(diǎn)沿晶界向兩側(cè)開裂。這些物相的第二相尺寸比較大,又比較硬,位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)遇到第二相,不能切過(guò)去，便在粒子處發(fā)生彎曲,在粒子周圍形成一個(gè)位錯(cuò)環(huán),使得位錯(cuò)在界面上塞積,造成應(yīng)力集中,微裂紋便在晶界形核微裂紋形核后,由于析出物使晶界呈現(xiàn)脆性,并且伴隨著震動(dòng)產(chǎn)生的疲勞載荷,使得裂紋形成的同時(shí)沿晶界失穩(wěn)擴(kuò)展。汽封彈簧片在高溫下工作,在裂紋形成后,氧氣會(huì)擴(kuò)散進(jìn)入裂紋中,同基體形成氧化產(chǎn)物,加大晶界的脆性,促進(jìn)裂紋擴(kuò)展,且隨著部件高溫運(yùn)行,促使晶內(nèi),晶界的脆性相繼續(xù)長(zhǎng)大、聚集,導(dǎo)致晶界狀態(tài)更加惡化,合金的斷裂韌性進(jìn)一步降低,就使得部件出現(xiàn)典型的沿晶脆性斷裂。

對(duì)汽封彈簧片斷裂后新采購(gòu)的彈簧片取樣進(jìn)行顯微組織分析,其金相組織為孿晶奧氏體組織,奧氏體基體上存在少量較小顆粒狀析出物，晶粒度為8級(jí),見圖5。換上該批彈簧片至今已安全運(yùn)行4萬(wàn)多小時(shí)。通過(guò)對(duì)比斷裂彈簧片和新采購(gòu)彈簧片的顯微組織,可知斷裂彈簧片晶內(nèi)、晶界存在的大量碳化物及析出物是在熱加工過(guò)程中帶來(lái)的，屬于原始遺留缺陷。其主要原因可能是由于在部件進(jìn)行固溶階段時(shí)溫度偏低,時(shí)間偏短;固溶處理后的冷卻階段冷卻速度偏低;時(shí)效階段時(shí)效溫度過(guò)高、時(shí)效時(shí)間過(guò)長(zhǎng)。

1.4斷口形貌分析

斷口微區(qū)形貌分析采用S-3700N掃描電子顯微鏡。通過(guò)斷口微區(qū)形貌分析,規(guī)格δ=5mm斷裂試樣其斷口微觀形貌呈冰糖狀，屬于典型的沿晶脆性斷裂特征,見圖6(a)。規(guī)格δ=4mm斷裂試樣其斷口微觀形貌同樣呈冰糖狀，屬于典型的沿晶脆性斷裂特征,見圖6(b)。

汽封彈簧片在工作時(shí),受到的是汽封對(duì)它的一種壓應(yīng)力,最大受力點(diǎn)在弧形長(zhǎng)條的中部,該點(diǎn)內(nèi)弧受到向兩側(cè)的拉應(yīng)力。在材料組織存在缺陷的情況下，晶界強(qiáng)度及斷裂韌性比較低，使得汽封彈簧片在高溫壓力下運(yùn)行不久即發(fā)生了脆性斷裂。

2結(jié)論與建議

兩彈簧片斷裂均為脆性斷裂。材料顯微組織中的碳化物及析出物是彈簧斷裂的重要影響因素。這些大部分是由于不合理的熱處理制度造成的。同時(shí)汽封彈簧片處在高溫、高頻率振動(dòng)的工況下，高溫氧化和疲勞也是促進(jìn)其斷裂的重要因素。建議加強(qiáng)材料入廠時(shí)的全面檢驗(yàn)。以防止由于因?yàn)椴馁|(zhì)不合格以及原始缺陷造成的部件失效。加強(qiáng)運(yùn)行期間對(duì)部件的監(jiān)督檢驗(yàn)，掌握部件運(yùn)行時(shí)組織、性能的變化情況，防止其在正常工作突然發(fā)生斷裂。