2520不锈钢中开裂原因分析检测方案(电镜制样)

图4(b) (a)的局部放大形貌 热风炉出风管失效分析 蔡晓文，吴安术，陈义，陈容，陈述 (攀钢集团研究院有限公司钒钛资源综合利用国家重点实验室，四川攀枝花617000) 摘 要：2520不锈钢制成的热风炉出风管膨胀接头严重氧化、穿孔。观察发现膨胀接头于减薄处开裂，且部分区域存在塌陷现象。利用SEM观察了开裂处断口形貌，断口存在穿晶和沿晶裂纹。通过金相检验手段从两个方面分析了失效部位，结果表明操作温度和晶间析出物提升了伴随晶界粗化的晶粒粗化和楔形空穴的形成趋势。长时间过热引发的蠕变开裂以及高温腐蚀、氧化造成管壁的减薄，最终导致了热风管的过载失效。 关键词：2520不锈钢；高温氧化；蠕变应变；脆性断裂 中图分类号： TG441.7 Failure Analysis of Drain tube for hot-blast store CAI Xiaowen， WU Anshu， CHEN Yi， CHEN Rong， ZHAO Jun， CHEN Shu (PanGang Group Research Institute Co.， Ltd.， State Key Laboratory of Vanadium and Titanium ResourcesComprehensive Utilization， Panzhihua 617000， China) Abstract： Type 2520 stainless steel drain tube from a hot-blast store for the preheating air was heavilyoxidized and perforated in the exit and in service. It was observed that certain area occurred through-way crackingin the thinned tube way while other showed significant collapsing. A fracture taken from of cracking areas wasanalyzed by SEM and was found to have a mixture of intergranular and transgranular cracking. Metallographicexamination of two specimens， also from the failed regain， revealed the presence of large grain with widened grainboundary and wedge-type cavities at grain-boundary triple points， which were caused by operating temperatureexceed those intended for this steel and may be promoted by grain-boundary precipitates. Failure of the tube wasattributed to creep-type rupture at high-temperature condition resulting from prolonged overheating and to thinningof the way by high-temperature corrosion and oxidation to the point at which the hot-air pressure in the tubeconstituted a overload of remaining way. Key words： 2520 stainless steel； high temperature oxidation； creep strain； brittle fracture 0Cr25Ni20(2520)不锈钢，从成分上看是以18%Cr-8%Ni 为基分别加大Cr 和Ni 含量的不锈钢。不仅可形成稳定的y相，而且具有较好的蠕变强度，在高温下能持续作业，具有很好的抗氧化性、耐腐蚀性和耐高温性凹。故适用于排气管道、热处理炉、热交换机、焚化炉等要求耐热性的高热或高温接触部件。通常，这些部件在高温下长期运行不可避免地面临高温氧化和蠕变断裂等问题。 1理化检验 用2520不锈钢制成的某热风炉出风管膨胀接头，于800~1000℃温度范围内短时使用，其管壁从原先的3.0mm 薄薄至0.3mm，并在严重减薄处发生脆断。为确定膨胀接头早期脆断的原因，通过宏观、金相、扫描电镜及化学成分分析等手段进行了检测分析。并从不锈钢的金属学和实际应用需要的角度进行了讨论。 1.1宏观形貌检验 操作者称，膨胀接头工作时其表面常有发红现象。实际观察发现，失效管接头已呈深黑色，说明经历了严重高温氧化。正对热风炉(炉内工作热质为焦炉煤气)出热风部位的膨胀 接头管壁厚度从 3.0mm 的设计厚度已减薄至 0.3mm 左右并于此发生开裂或断裂。失效部位的外貌见图1。图1(a)标识了取样位置及取样编号，随后检验的试样沿黑线切割。严重减薄区域有明显的塌陷，见图1(b)，但没有缩颈，说明应力并不大。 图1(a)失效部位的外貌 图1(b)失效部位的内壁 Fig.1 Representive topography of((a) the outer and (b) the inner surfaces of a failed tube during operation 于管子的塌陷区和未塌陷区，沿裂纹撕开的人工断口，经体式显微镜观察，发现两种断口形貌，见图2(a)、(b)。塌陷区断口纹理较细，说明具有一定的韧性，有较长的时间发生塑性变形而塌陷；非塌陷区显示“冰糖”状断口形貌，说明材料已经经化。观察还发现，无论是塌陷区还是未塌陷区的管壁，其厚度均有不同程度的减薄。 图2(a) 失效管塌陷区人工断口形貌 图2(b))失效管未塌陷区人工断口形貌 Fig.2 Close-up views of the fracture surfaces on collapsed (a) and an collapsed areas of the tube 1.2 SEM 断口检验 在图1(a)中所标D和E的两个代表性部位锯取断口试样，于 SEM 观察发现，位于缺陷区的Ｄ之断口显示很深的二次裂纹和细小韧窝，见图3(a)。显属撕裂型断口，也证明该部位材料具有一定的韧性。于于无塌陷区的F断口，微观形貌为“冰糖”状，同时显示沿晶裂纹，见图3(b)。此断口特征显示出晶界分离和逐渐浸蚀，足见材料已经蠕变脆化[2-3]，晶间结合力基本丧失，几乎没有强度，一碰就开裂。图3(c)是(b)之放大观察，深而宽的沿晶裂纹和相邻的晶内滑移带清晰可见。这是典型的晶间蠕变断裂[2-3]，也说明该部位的材料在承载时，在大量裂纹产生之前发生了相当的塑性应变。 图3(a)D断口的二次裂纹和韧窝 图3(c)(b)的局部放大形貌 图3(b)F区“冰糖状”断口形貌 图3(d)(c)的局部放大 Fig.3 SEM views of typical surfaces fracture in D and F of Fig. 1 (a) Surface of fracture in D area， showing deep secondary cracks and small dimples of ductile fracture； (b) F area of the fracture surface in which fracture appears to be a "Rock candy"； (c) Close-up of (b)， showing mixture of intergranular and transgranular cracking； (d) Detail from (c) 1.3 金相分析 在塌陷区(E)和未塌陷区(G)垂直于断口的面制备的金相试样，显微镜观察抛光面皆显示楔形或W形三叉点空穴，说明材料已经发生晶间蠕变损伤[4-9]，见图4(a)、(b)。塌陷区的蠕变损伤程度较非塌陷区轻，很少发生W形裂纹连接现象，所以在断口上显示深的二次裂纹和韧性断裂。图4(b)中所示的非塌陷区三叉点空穴已经宽化并有相互连接的现象，所以在断口上显示很脆的“冰糖”状形貌。在图4(b)的下边，相当于近表面区域，显示晶间氧化现象I10]。 图4(a)塌陷区和非塌陷区蠕变和晶间氧化形成的楔形空洞Fig.4 Two polished sections about collapsed (a) and uncollapsed (b) regains， showing wedge-type cavities formedby creep and intergranulary oxidation 抛光态试样用盐酸高氯化铁水溶液腐蚀后，于显微镜下观察，发现试样的基体组织为奥氏体，但已发生了严重的晶间腐蚀，其奥氏体晶粒度级别为1.5级，说明该部位已严重过热。如图5(a)、(b)所示。两个区域(E和G)都未发现拉长的晶粒，说明最终断裂发生在停炉的温度状态。在抛光态的表面及次表面能看到的晶间腐蚀，可能与晶界析出的碳化物有关。 图5(a) E试样的腐蚀态 图5(b) G试样的腐蚀态 Fig.5 Etched sections of the failed tube， (a) Area E in Fig.1； (b) Area G in Fig. 1 1.4化学分析 用直读光谱测定开裂试样的化学成分，并将测定结果和 GB/T 20878-2007《不锈钢及耐热钢牌号及化学成分》中的06Cr25Ni20不锈钢的化学成分值同时录于表1中。由表可知：送检试样的化学成分基本满足国标规定值。 表2 06Cr25Ni20 不锈钢化学成分测定值和国标规定值(Wt%) Tab.2Chemical Compositions of 06Cr25Ni20 Stainless Steel (Wt%) 项目 C Si Mn P S Cr Ni Cu Mo 国标 值 0.08 1.50 2.00 0.045 0.030 24.00~26.00 19.00~22.00 -- 一一 测定 值 0.056 0.47 1.09 0.022 < 0.005 23.88 18.87 0.088 0.077 2结论 (1)0Cr25Ni20 奥氏体不锈钢制热风炉出口管膨胀接头的过早失效，主要原因是过量蠕变应变引致的晶界三叉点开裂扩展的结果。外貌不相同的塌陷区和非塌陷区，在显微特征上仅显示严重程度不同的晶界三叉点开裂，却使材料行为发生了由延性向脆性的转变。 (2)工作温度是影响出口管抗蠕变失效的重要因素。在超过 0Cr25Ni20钢许可的最高温度使用时，造成晶粒粗化，过度氧化和热腐蚀加速管壁减薄。管壁减薄到支撑厚度不足时，已脆化的材料在很小的管内热风压力作用下会引起剩余管壁过载，结果在蠕变损伤较轻的区域发生连续的塑性变形而塌陷，而在晶间腐蚀严重的蠕变损伤区发生脆性开裂。 (3)0Cr25Ni20不锈钢不适合在1100℃高温条件下使用，因为钢的碳含量高于固溶度的量，过剩的碳与铬结合会沿晶界析出 CrC，型碳化物，造成晶界贫铬，加速了晶界氧化腐 蚀，使晶粒分离，在无蠕变的条件下也会产生脆性开裂。在晶界高温氧化的同时，出口管自由表面也被氧化，使金属损失，也造成管壁减薄。 (4)为满足在1100℃温度条件下安全使用，必须选择抗蠕变又抗高温氧化、腐蚀的材料。 ( 参考文献： ) ( [1]能源部西安热工研究所.热工技术手册·电厂金属(6)[ M ].北京：水利电力出版社， ， 1989， P169. ) ( [2]A. 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