試壓塞體內壁開裂失效分析

金林奎

1.狀態說明

試壓塞體件用于石油管道及閥門性能測驗，材料本身應具有較高的強度和韌性。該產品的材質為42CrMo中碳低合金調質鋼，工件內孔直徑900mm，外圓直徑1800mm，重量達850kg，熱加工要求調質處理。

對于這種大型工件，當時采用的調質工藝是：箱式多用爐低溫入爐，緩慢加熱至850℃溫度保溫5h，然后出高溫爐膛入前室預冷淬火，淬火冷卻介質采用的是等溫淬火油；淬火后在200℃左右帶溫出油，利用出油余熱產生自回火，以消除淬火應力，回火工藝為640℃保溫6h，然后同樣在油中冷卻。

調質處理后的試壓塞體，經過表面硬度檢測，結果符合圖樣要求。用戶后序切削加工時，發現工件的內壁有幾條縱向裂紋，目測裂紋深度較淺（見圖1、圖2）。由于工件內壁經過較大尺寸的切削加工，目前已無法對工件外表面的裂紋進行更詳細的了解，只能對現有的較淺的殘留裂紋進行檢測。對于質量反饋的開裂失效件，我們在殘留裂紋部位線切割取樣，提取樣塊進行理化檢測和分析。

2.化學成分

在線切割的樣塊上，截取20mm×20mm×15mm（長×寬×厚）的試樣，進行化學成分檢驗，檢驗設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀，檢驗結果（見附表）表明化學成分符合材料標準要求。

3.金相檢驗

用光學顯微鏡進行金相觀察，裂紋的擴展顯示為沿晶斷裂的脆性組織特征形貌。在裂紋的端部，裂紋內部兩側布滿淺灰色的氧化物，且氧化物之間有一定的間隙（見圖3）。在裂紋的中部，裂紋內幾乎填滿氧化物，氧化物之間只有小量間隙（見圖4）。

圖1 工件內壁裂紋(實物)

圖2 裂紋取樣部位(實物)

試壓塞體件化學成分檢驗結果（質量分數） （%）

圖3 裂紋端部氧化物 100×

圖4 裂紋中部氧化物 100×

裂紋下部已經完全被氧化物浸潤，氧化物之間無任何間隙，裂紋的尾部顯示圓鈍狀。斷裂擴展的形態，顯示出曲折分布的脆性組織沿晶斷裂特征形貌（見圖5）。在金相顯微鏡低倍下觀察，裂紋內的氧化物呈銀亮色，此時觀察氧化物特征效果更加明顯（見圖6）。

金相組織顯示，低倍下可見大量黑色組織圍成連續網狀。這種組織形態是由于碳化物沿晶界析出造成的。鍛造加熱溫度在1200℃以上高溫長時間加熱，鍛造后緩慢冷卻，形成這種粗大的沿晶析出的富碳脆性組織。黑色組織圍成的粗大晶粒，平均晶粒直徑達1.25mm。這種晶粒直徑所對應的晶粒度，已經無法用標準進行定級，晶粒度級別已遠超出國家標準GB/T6394—2002所描述的最粗級別。該組織級別是最粗晶粒度級別0級的4倍；過熱組織級別3級晶粒度的10倍；合格組織最粗晶粒度級別5級的20倍（見圖7、圖8）。

由于加熱溫度太高，已經形成嚴重的穩定化過熱組織。在形成粗大網狀組織的同時，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物也沿晶界析出。這種鍛造的粗大原始網狀組織，在后期熱處理時是無法消除的，因為硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物必須在1200℃以上才能溶解，像42CrMo這樣的低合金調質鋼，正常的熱處理溫度不可能升高到1200℃的高溫，這是熱處理組織遺傳的原因。

形成這種粗大的網狀組織脆性非常大。其一原因：由于加熱溫度非常高，材料組織的晶粒急劇長大，晶粒界面顯著寬化，晶間結合力嚴重弱化。其二原因：在1200℃以上的鍛造高溫下，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物發生溶解，固溶到晶內組織中，然后在鍛造后期緩慢冷卻過程中，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物又會沿晶界析出，形成抗拉強度及沖擊韌度極低的脆性相。

金相組織顯示，原始粗大晶內的低碳區，組織為板條馬氏體位向的回火索氏體＋較多量的條塊狀鐵素體，其組織含碳量低于42CrMo原材料的含碳量（見圖9）。沿原始粗大晶界分布的富碳區，組織為板條及片狀馬氏體混合位向的回火索氏體＋極少量的顆粒狀鐵素體，表明該區域的含碳量比晶內低碳區的含碳量高得多（見圖10）。

4.結論分析

（1）試壓塞體件內壁形成的裂紋屬于鍛造熱裂紋，這是由于鍛造加工時，加熱溫度太高，材料基體已經形成穩定化過熱組織。晶粒急劇長大，晶界顯著寬化，晶間嚴重弱化。在冷卻過程中，由于工件特別大，冷卻速度非常緩慢，粗大晶粒內的碳化物有足夠時間沿晶界析出，增加了材料的脆性。在碳化物沿晶界析出的同時，硫化鐵、硫化錳等非金屬夾雜物也沿晶析出，使材料脆性進一步增加。此時材料自身的抗破斷強度，已遠低于鍛造產生的應力，于是造成試壓塞體工件的鍛造開裂。

圖5 裂紋尾部氧化物 100×

圖6 裂紋內氧化物 40×

圖7 原始粗大晶粒 40×

圖8 原始粗大晶粒 40×

圖9 低碳區組織 400×

圖10 富碳區組織 400×

（2）由于出現這種超高溫的穩定化過熱組織，材料已經發生晶界脆化和晶界弱化，鍛造開裂是難以避免的。也正是因為鍛造加工的高溫高壓，使鍛后開裂部位又重新焊合，并且在工件表面覆蓋了很厚的氧化皮，因此在后期調質處理時，裂紋沒有得到擴展，甚至在裂紋尾部都沒有張開。調質處理后切削加工，材料的組織應力得到釋放，裂紋端部稍微有所張開，這種組織應力在裂紋中部得到緩解，而在裂紋的尾部則完全沒有受到切削加工后應力釋放的影響，仍然表現為被氧化物浸潤的致密組織。因此，調質處理后未發現鍛造裂紋，鍛造裂紋在切削加工后才顯出來。