前期工藝狀態(tài)對(duì)不銹鋼油管的疲勞影響研究

顧 斌，杜 沖，范貴敏，黃依依

(上海威克邁龍川汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零件有限公司，上海 201114)

關(guān)鍵字： 304不銹鋼；高壓油管；疲勞斷裂

304不銹鋼材料具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強(qiáng)度和機(jī)械性能，在汽車配件、船舶工業(yè)、鐵道車輛等眾多領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用[1]。SUS304不銹鋼是一種亞穩(wěn)態(tài)奧氏體不銹鋼，塑性變形會(huì)誘導(dǎo)奧氏體向馬氏體轉(zhuǎn)變，具有形變誘發(fā)相變、相變誘導(dǎo)塑性形變的TRIP(transformation induced plasticity)效應(yīng)[2]，在成型過(guò)程中亞穩(wěn)態(tài)奧氏體向馬氏體的轉(zhuǎn)變使得該材料的性能存在不穩(wěn)定性，不同前序工藝得到的管坯導(dǎo)致最終工件的性能出現(xiàn)差異，進(jìn)而影響工件的使用壽命[3]。

高壓油管是連接噴油泵與噴油器的重要部件，在工作過(guò)程中高壓油管內(nèi)壁承受高頻脈沖油壓，隨著高頻脈沖油壓峰值的不斷提高，一般由高周疲勞開裂引起穿孔，進(jìn)而導(dǎo)致油管漏油。

疲勞斷裂形核源受到材料種類、微觀組織結(jié)構(gòu)、工作環(huán)境等多種因素的影響[4]。本文以3種不同工藝生產(chǎn)的SUS304不銹鋼油管為樣品，對(duì)其進(jìn)行壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)，在油管出現(xiàn)開裂后，對(duì)斷裂面通過(guò)金相分析、掃描電子顯微鏡(SEM)能譜儀(EDS)分析和X射線顯微鏡分析等手段進(jìn)行了觀察，并對(duì)斷裂原因和裂紋源產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析。

1 壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)

高周疲勞指破壞循環(huán)次數(shù)在105～107周次內(nèi)的疲勞，又稱高循環(huán)疲勞，其特點(diǎn)是作用于構(gòu)件的應(yīng)力水平低于材料的屈服強(qiáng)度，材料處于宏觀彈性變形狀態(tài)[5]。為了驗(yàn)證不同工藝加工所得油管在高周疲勞條件下的服役性能，通過(guò)壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)?zāi)M其實(shí)際工作狀態(tài)。壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)所用油管共3個(gè)，分別為熱頂壓、熱拉拔、槍鉛管，其長(zhǎng)度均為335 mm，內(nèi)徑14 mm，外徑20 mm，分別記為1， 2， 3號(hào)樣品。實(shí)驗(yàn)所用樣品兩端分別用卡具夾緊，一端密封，另一端焊接一入口，用于加壓。

實(shí)驗(yàn)時(shí)，以發(fā)生泄漏或壓力下降作為失效標(biāo)志。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后在管樣破裂處進(jìn)行線切割，割下樣品，并通過(guò)機(jī)械加工暴露出斷裂面。通過(guò)金相分析、掃描電子顯微鏡(SEM)能譜儀(EDS)分析、X射線顯微鏡分析對(duì)斷裂原因和裂紋源產(chǎn)生原因進(jìn)行分析。

2 結(jié)果與討論

2.1 樣品斷裂形貌分析

SEM是介于透射電鏡和光學(xué)顯微鏡之間的一種微觀形貌觀察手段，具有較高的放大倍數(shù)(2～20萬(wàn)倍)和很大的景深，可以直接觀察各種試樣凹凸不平表面的微細(xì)結(jié)構(gòu)。通過(guò)SEM觀察來(lái)初步判斷各樣品斷裂原因，各樣品斷裂面SEM照片如圖1所示。

(b)

(c)

(d)

(e)

(f)

由圖1可知，各試樣斷裂面宏觀形貌均呈現(xiàn)出典型的放射狀疲勞斷裂特征。可以根據(jù)放射狀花樣的方向，初步判斷出斷裂的初始位置，如圖1(a)， 1(c)， 1(e)所示。在確定斷裂初始位置后，進(jìn)一步放大觀察斷裂面附近區(qū)域形貌。在各樣品斷裂面附近均發(fā)現(xiàn)典型的疲勞輝紋，如圖1(b)， 1(d)， 1(f)所示。由此可以確定3個(gè)樣品均為疲勞斷裂。

2.2 樣品裂紋源產(chǎn)生原因分析

能譜儀(EDS)可以配合SEM分析材料微區(qū)成分元素的種類與含量，用電子束在試樣上做二維掃描可以得到特征X射線強(qiáng)度二維分布的圖像，此方法也被稱為EDS面元素分析法。為了確定樣品裂紋源的產(chǎn)生原因，結(jié)合樣品的微觀形貌和EDS面元素分析對(duì)各樣品斷裂面處形貌和元素分布進(jìn)行觀察。

在圖1(b)中可以看到，樣品1斷裂面附近存在一些針狀溝壑，可能是由針狀相脫落形成的。為了確定針狀溝壑產(chǎn)生的原因，將樣品1腐蝕后于金相顯微鏡下觀察，可以看到樣品1組織中存在一些微米級(jí)的顆粒狀?yuàn)A雜物，此外可以看到組織中存在一些針狀相，如圖2所示。此類針狀相可能是不銹鋼中常見的富Cr的脆性相，這往往是由于固溶熱處理工藝不當(dāng)引起的。

對(duì)該位置進(jìn)一步放大后可以看到，斷裂點(diǎn)處存在兩種不同襯度的相，如圖3所示。該處可能存在組織上的差異，如成分不均勻或者夾雜。為了進(jìn)一步確定該位置組織差異的原因，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行EDS面元素分析，不銹鋼斷口處的SEM組織照片以及相應(yīng)的EDS面元素分布如圖4所示。

圖2 樣品1針狀組織金相照片

圖3 樣品1斷裂處高倍放大圖

(a) SEM照片和EDS面元素分布圖

(b) Fe

(c) Cr

(d) Ni

(e) Al

(f) O

(g) Si

(h) C

在圖5中可以看到，在裂紋處存在大塊的顆粒狀物，元素分析結(jié)果表明，這些顆粒物富含Al和O，故可能為Al2O3夾雜。此外，元素分布圖中還可以看到富含Si和富含C的其他夾雜存在，屬于脆性的不易變形的夾雜物，會(huì)在疲勞開始后在較短的時(shí)間內(nèi)與基體的界面開裂，或者夾雜物本身斷裂，從而形成初始的裂紋源。

為了確定樣品1中夾雜物的分布情況，通過(guò)X射線顯微鏡(Xradia 520Versa， Zeiss)對(duì)樣品進(jìn)行掃描。X射線顯微鏡屬于高分辨率(亞微米級(jí)，最高空間分辨率可達(dá)0.7 μm)的CT，可實(shí)現(xiàn)樣品的無(wú)損三維形貌成形，應(yīng)用范圍非常廣泛。掃描所用的X射線顯微鏡如圖5所示，通過(guò)該儀器對(duì)樣品裂紋部分進(jìn)行掃描，構(gòu)建樣品的三維圖形，經(jīng)透明化處理后可以得到夾雜物的空間形貌，如圖6所示。從圖6中可以看出，樣品中存在大量的顆粒狀?yuàn)A雜，由此可以確定樣品1中大量存在的顆粒狀?yuàn)A雜是疲勞裂紋源產(chǎn)生的原因。

圖5 X射線顯微鏡裝置

圖6 經(jīng)透明化處理后提取出的夾雜物的空間形貌

為了確認(rèn)樣品2的裂紋源是否由夾雜物產(chǎn)生，對(duì)端口位置進(jìn)行EDS面元素分析，結(jié)果如圖7所示。從圖7中可以看到，斷裂點(diǎn)處元素分布基本均勻，可以排除夾雜物的影響。從圖8(d)中可以看到，樣品2中存在典型的穿晶型斷裂，裂紋拓展速度較快，故此種斷裂形式可能是由于晶粒粗大引起的。

(a) SEM圖和EDS元素面分布圖

(b) Fe

(c) Cr

(d) Ni

(e) O

(f) Al

圖8 樣品3斷裂面高倍形貌

對(duì)樣品3斷裂面附近區(qū)域進(jìn)一步放大觀察，如圖8所示，可以看到斷裂面存在大量直徑為10 μm左右的圓形“隕坑”，此種形貌說(shuō)明疲勞斷裂源可能是疏松、松動(dòng)等缺陷。為了確認(rèn)是否存在夾雜物，對(duì)該區(qū)域進(jìn)行EDS面元素分析，結(jié)果如圖9所示。可以看到，斷裂點(diǎn)元素分布基本均勻，可以排除夾雜物的影響。故樣品3疲勞裂紋源是由管材內(nèi)部疏松曲線引起的。

(a) SEM圖和EDS面元素分布圖

(b) Fe

(c) Cr

(d) Ni

(e) O

(f) Al

3 結(jié)論

對(duì)3種不同加工工藝制得的油管管坯進(jìn)行了壓力脈動(dòng)實(shí)驗(yàn)，之后通過(guò)金相分析、SEM EDS分析、X射線顯微鏡分析對(duì)斷裂面斷裂原因和裂紋源產(chǎn)生原因進(jìn)行了分析，得到如下結(jié)論：

1) 3個(gè)樣品斷裂方式均為疲勞斷裂，且均為非典型的疲勞斷裂形貌。

2) 在疲勞源的生成和裂紋的擴(kuò)展上，不同工藝加工得到的管坯也有所不同。樣品1為冶煉中的夾雜物引起；樣品2由于穿晶斷裂使其裂紋擴(kuò)展階段的壽命大為縮短；樣品3則由于內(nèi)部疏松等缺陷產(chǎn)生裂紋源。不恰當(dāng)?shù)臒崽幚砉に嚂?huì)使不銹鋼中富Cr相析出形成針狀相，影響材料抗疲勞性能。

3) 不同的前序工藝下得到的產(chǎn)品在相同載荷下疲勞壽命各有不同。同時(shí)，熱處理對(duì)金屬組織形態(tài)的改變也會(huì)對(duì)疲勞壽命產(chǎn)生較大的影響。同樣，也表明了改進(jìn)制造工藝將會(huì)對(duì)疲勞壽命有較大的改善。