开裂原因分析

杨晓洁，袁兴栋，马洪涛（1. 山东省产品质量监督检验研究所，济南 250100；2.山东建筑大学 材料科学与工程学院，济南 250101）摘 要：采用宏观检验、化学成分分析和金相检验等方法对供热管道开裂的原因进行了分析。结果表明：由于供热管道的热处理工艺选择不当，导致沿铁素体晶界析出大量呈网状和链状分布的三次渗碳体，打打降低了供热管道的塑性和韧性，致使供热管道在使用过程中开裂。最后提出了改进措施。关键词：供热管道；三次渗碳体；微裂纹；沿晶开裂中图分类号：TG142.31 文献标志码：B 文章编号：1001-4012（2011）05-0327-02 某热电厂供热管道在使用近两个月时发生开裂。该管道材料为Q235B钢，直径为Φ450mm，壁厚为6mm，采用螺旋卷管加工，为退火态。钢管内流动介质为水蒸气，蒸汽温度在270~278℃，蒸汽压力为0.5~0.6MPa。为查明供热管道开裂的原因，笔者对开裂的管道进行了理化检验和分析。1 理化检验1.1 宏观检验图1为开裂管道的宏观形貌，可见开裂发生在供热管道壁处，已穿过整个壁厚。裂纹分主裂纹和次裂纹，主裂纹（图1中a处）沿管道环向延伸；第一条次裂纹（图1中b处）与主裂纹约成90°角，第二条次裂纹（图1中c处）与主裂纹约成30°角。将管道沿纵向剖开，观察开裂口发现已严重锈蚀，不能看清其宏观形貌，周围无明显宏观塑性变形。http://www.microscopy.com.cn/data/attachment/portal/201106/21/1623371wq8qqva3z2q417k.jpg1.2 化学成分分析在开裂管道上取样，并按GB/T 4336-2002《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法（常规法）》进行化学成分分析，结果见表1，可见该供热管道的化学成分符合GB/T 700-2006《碳素结构钢》对Q235B钢的要求。http://www.microscopy.com.cn/data/attachment/portal/201106/21/162340vqvp4qvllyshylol.jpg1.3 金相检验在供热管道开裂处的横、纵两个方向上分别截取试样，经镶嵌、磨制和抛光后在光学显微镜下观察。可见横向试样表面存在裂纹，裂纹较粗大且弯曲，主裂纹边缘尚有细小的次裂纹，见图3。将试样用4%（体积分数） 硝酸酒精溶液侵蚀后在光学显微镜下观察。横向试样和纵向试样的显微组织分别见图4和5，可见均为铁素体+珠光体+三次渗碳体，且沿铁素体晶界存在大量裂纹；三次渗碳体主要沿铁素体晶界分布，且成链状或网状析出，见图6和7。http://www.microscopy.com.cn/data/attachment/portal/201106/21/162343n87gdgjnjii4l8d4.jpg2 分析和讨论由化学成分分析结果可知，开裂的供热管道的化学成分符合标准要求。由金相检验结果可知，该供热管道的显微组织为铁素体+珠光体+三次渗碳体，且沿铁素体晶界存在大量裂纹，，三次渗碳体为硬而脆的相，且以网状或链状分布，破坏了基体的连续性，在晶界处产生应力集中，受力的作用形成微裂纹，大大降低了供热管道的塑性和韧性。三次渗碳体的析出可能是由于退火时加热温度过高或冷却速度过慢，致使碳原子充分扩散，在铁素体晶界处析出网状或链状分布的三次渗碳体。晶界的隔开两个不同结晶取向晶粒的区域，它是金属原子排列紊乱区，是裂纹容易穿过的区域，沿晶界分布的三次渗碳体受力的作用，形成微裂纹，并沿晶界进行扩展。随着管道压力的持续作用，裂纹尖端处的应力也继续增大和集中，裂纹沿管道壁厚方向进一步扩展，并与其他裂纹汇合，最终导致管道开裂。3 接力与改进措施由于三次渗碳体沿铁素体晶界成网状或链状析出，在力的作用下形成微裂纹，且沿晶界扩展，在使用过程中，在管道压力的持续作用下，裂纹进一步扩展，致使供热管道开裂。改进措施有：①调整材料的热处理工艺（降低加热温度或适当提高冷却速度），避免三次渗碳体的析出；②加强工序间的质量监督和运用必要的检测手段，即时发现工件中存在的缺陷。 参考文献：夏立芳，金属热处理工艺学.哈尔滨:哈尔滨工业大学出版社,1998:34.李炯辉，林德成.金属材料金相图谱（上册）.北京:机械工业出版社,2006:304-307.张正贵，周兆元，刘长勇.高强度铝合金构件腐蚀疲劳失效分析.中国腐蚀与防护学报,2008,28(1):48-51.