水箱管座裂紋分析

王玉環(huán) 王春生

（中車青島四方機(jī)車車輛股份有限公司，山東 青島266111）

1 概述

據(jù)統(tǒng)計(jì)，每年全世界因腐蝕報(bào)廢的金屬約為一億噸，全世界每年因腐蝕報(bào)廢的鋼鐵設(shè)備相當(dāng)于年產(chǎn)量的30%。而晶間腐蝕是金屬腐蝕的一種常見的局部腐蝕，腐蝕從金屬表面開始，沿著晶界向晶粒內(nèi)部發(fā)展，使晶粒間的結(jié)合力大大減弱，降低了材料的強(qiáng)度，嚴(yán)重時(shí)可使材料的機(jī)械強(qiáng)度完全喪失，它是危害性很大的局部腐蝕形式之一[1]。晶間腐蝕損傷是指金屬材料或構(gòu)件沿晶界產(chǎn)生并沿晶界擴(kuò)展而導(dǎo)致金屬材料或構(gòu)件的損傷，因而也稱作晶界腐蝕[2]。金屬構(gòu)件的晶間腐蝕不僅降低了機(jī)械性能，而且由于難以發(fā)現(xiàn)，易于造成突然失效,腐蝕發(fā)生后看不出被破壞的跡象，但由于晶界被破壞，晶粒間結(jié)合力顯著減弱、力學(xué)性能惡化,是一種很危險(xiǎn)的腐蝕。

某型號(hào)運(yùn)行列車在庫內(nèi)檢修時(shí)，檢修人員發(fā)現(xiàn)走廊墻板上方有水跡。對走廊頂板進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)車頂水箱與排水管路連接的焊接接頭存在貫穿性裂紋，水箱管座有2 條明顯的貫穿裂紋，從管座頂部延伸至焊接底座。檢查車頂水箱其它部位、供排水管路及彎頭無滲漏等異常現(xiàn)象（圖1-2）。

圖1 焊接接頭處存在裂紋

圖2 水箱管座裂紋

2 腐蝕裂紋的分析

2.1 宏觀特征分析

管座試樣沿裂紋分開成斷口，其宏觀形貌如下圖。其中，圖3 可見靠近螺牙部位有疑似生料帶狀物，樣品銹跡嚴(yán)重。從生料帶已進(jìn)入螺紋內(nèi)部的情況看，在上次檢修時(shí)，螺牙上已經(jīng)有了開放性裂紋。

圖3 沿裂紋分開的螺紋部位

管座樣塊沿縱向刨開，經(jīng)過打磨拋光，在超景深成像系統(tǒng)下觀察，縱切面靠近螺紋底部可見明顯腐蝕坑，長度約2 個(gè)螺距(圖中圈起區(qū)域所示)，部分區(qū)域發(fā)生掉塊缺失，如圖4。

圖4 縱切面螺紋底部腐蝕坑

2.2 化學(xué)成分分析

從斷裂樣品取樣，用Thermo ARL4460 直讀光譜儀做化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1。

表1

從檢測結(jié)果可以看出，樣品的硫含量偏高、鈦元素含量過低；碳含量處于高限，鎳、鉻等元素的含量處于合格線下限邊緣。

2.3 顯微組織檢驗(yàn)

對樣品外橫截面制樣，用Leica DM 6000M 顯微鏡做金相分析，樣品的顯微組織為奧氏體+少量碳化物，部分沿晶分布。有少量硫化物夾雜沿縱向分布，如圖5。裂紋兩側(cè)有晶間腐蝕現(xiàn)象，在主裂紋中部有一條二次裂紋，其他區(qū)域無腐蝕現(xiàn)象，如圖6。

對縱剖面制樣檢驗(yàn)，夾雜物等級為A 0.5,D 1，較輕微，螺紋處的未旋合部分有嚴(yán)重的晶間腐蝕，部分區(qū)域晶粒脫落嚴(yán)重；均勻腐蝕深度約為從牙底開始的2mm，極端處裂紋已達(dá)5mm，見圖7。管座的壁厚為10mm,而最嚴(yán)重的區(qū)域腐蝕深度已達(dá)一半以上，減小了有效承載面，最后導(dǎo)致了開裂。

圖5 顯微組織為奧氏體+少量碳化物

圖6 裂紋周圍可見有晶間腐蝕

2.4 掃描電子顯微鏡斷口分析

在Zeiss EVO15 掃描電子顯微鏡下觀察管座試樣縱切面的腐蝕區(qū)域，部分區(qū)域晶粒剝落嚴(yán)重，宏觀表現(xiàn)為腐蝕坑，如圖8。相距腐蝕不遠(yuǎn)處觀察，可以明顯看出晶間腐蝕產(chǎn)生的晶界，如圖9。

電子顯微鏡下觀察管座試樣的斷口形貌，可觀察到形成的泥狀花樣形貌，典型的晶間腐蝕形貌，如圖9。部分晶間腐蝕嚴(yán)重區(qū)晶粒脫落，當(dāng)腐蝕區(qū)域擴(kuò)展長大，最后形成沿晶斷裂斷口，如圖10。

圖7 螺牙底部晶間腐蝕

圖8 管座縱切面靠近螺紋的腐蝕坑

圖9 靠近腐蝕坑區(qū)的晶間腐蝕

圖10 晶間腐蝕形成泥狀花樣形貌

3 綜合分析

圖11 晶粒脫落形成的紋理清晰的斷口

根據(jù)理化檢驗(yàn)結(jié)果可知，失效件碳、硫等非金屬元素含量過高，而鉻、鎳、鈦等金屬元素偏低。硫在奧氏體不銹鋼中主要視為有害雜質(zhì)，其有害作用主要表現(xiàn)為形成的MnS 易溶于酸性氯化物溶液，降低奧氏體不銹鋼的耐蝕性；高溫下MnS 沿晶界沉淀，影響不銹鋼的熱加工性；形成硫化物夾雜，影響不銹鋼質(zhì)量。在奧氏體不銹鋼中，碳含量常被視為有害元素，含量不宜過高，碳與鋼中的鉻形成高鉻的Cr23C6，從而導(dǎo)致局部鉻的貧化，使鋼的耐蝕性特別是耐晶間腐蝕性能下降。合金元素鉻、鎳均會(huì)提高奧氏體不銹鋼的耐蝕性，而該樣品鉻、鎳含量處于低限。并且鈦一般作為穩(wěn)定化元素加入不銹鋼中，Ti 與碳的親和力遠(yuǎn)大于鉻，其優(yōu)先與碳結(jié)合形成TiC，防止或減少Cr23C6的形成從而達(dá)到防止敏化態(tài)晶間腐蝕的目的，其含量也不符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

管座未旋合部分因?yàn)榕c水接觸腐蝕嚴(yán)重，旋合部分未見晶間腐蝕。研究表明，不銹鋼在Cl-、高溫水等環(huán)境下易發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，管座在焊接過程中，部分區(qū)域由于受焊接熱影響，處于敏化溫度的范圍之內(nèi)，在腐蝕介質(zhì)作用下，這一部位就容易發(fā)生晶間腐蝕。在650℃-750℃加熱一定時(shí)間，其晶間腐蝕更為敏感。這種腐蝕在某些熱處理?xiàng)l件下由于碳化鉻沿晶界析出，在臨近晶界處形成貧鉻區(qū)及該區(qū)在腐蝕介質(zhì)中優(yōu)先溶解所造成的。因?yàn)檫@種腐蝕是晶粒間喪失結(jié)合力以致材料的強(qiáng)度幾乎完全消失。金屬發(fā)生晶間腐蝕后，外觀上幾乎不會(huì)有任何變化，幾何尺寸及金屬表面光澤不變，但其強(qiáng)度和伸長率顯著降低。當(dāng)受到冷彎變形、機(jī)械碰撞或流體的劇烈沖擊后，金屬表面出現(xiàn)裂紋，甚至酥脆，稍加外力晶粒自行脫落，失去金屬聲。當(dāng)表面存在電解質(zhì)時(shí)，致使晶粒邊界的基體金屬電極電位降低，腐蝕邊由晶界產(chǎn)生而逐漸向內(nèi)部發(fā)展。通過以上分析, 該水箱管座屬于沿晶脆性斷裂。管座材質(zhì)成分不達(dá)標(biāo)是引起晶間腐蝕裂紋的主要原因，焊接過程的熱影響是腐蝕破壞的重要條件，而工作環(huán)境中接觸含有Cl-的潮濕環(huán)境加速了裂紋長大。

4 討論與建議

4.1 使用符合要求的材料，加入穩(wěn)定化元素減少形成碳化鉻的可能性，加入適量的鈦或鈮等元素。

4.2 減少焊縫中的含碳量，可以減少和避免形成鉻的碳化物，從而降低形成晶界腐蝕的傾向，含碳量在0.04%以下，形成“超低碳”不銹鋼，可以避免鉻的碳化物生成。

4.3 控制在危險(xiǎn)溫度區(qū)的停留時(shí)間，防止過熱，快焊快冷，使碳來不及析出，有條件的情況下最好焊后進(jìn)行固溶處理。