■ 范俊明，周啟雄

我公司生產(chǎn)的一個(gè)開(kāi)口為φ60mm的高壓氣瓶在做爆破試驗(yàn)時(shí)，發(fā)現(xiàn)爆破口產(chǎn)生開(kāi)裂，其開(kāi)裂形態(tài)與正常爆破口形態(tài)不一致。爆破后的氣瓶完整形貌如圖1所示。

該氣瓶材料為35CrMo鋼，是一種中碳合金調(diào)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼，具有良好的強(qiáng)韌性，被廣泛應(yīng)用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機(jī)器中的重要零件，如化工機(jī)械中高壓無(wú)縫厚壁鋼管等。

針對(duì)氣瓶的異常開(kāi)裂現(xiàn)象，對(duì)該氣瓶開(kāi)裂部位進(jìn)行斷口微觀檢查和金相組織分析，以找出造成爆破裂縫分叉的原因，從而防止類(lèi)似的異?，F(xiàn)象再次發(fā)生。

1.分析取樣

從爆破口的斷口上可看出，管體在爆破試驗(yàn)時(shí)，先在圖2的a位置發(fā)生開(kāi)裂，然后沿兩邊延伸。管體爆破時(shí)，由于某種原因，裂紋在圖2的b位置沿兩個(gè)方向擴(kuò)展，在圖的右端同樣如此，由此可判斷出管體的撕裂方向。

斷口橫截面放大如圖3所示，從中可以清楚地看到河流放射區(qū)和剪切唇區(qū)。

由圖2可以看出，爆破氣瓶左右兩端裂縫均有分叉，因此在裂縫的兩個(gè)分叉部位分別進(jìn)行分析取樣并標(biāo)號(hào)為1#、2#。首先通過(guò)加工把整個(gè)部位全部取下，之后對(duì)斷口進(jìn)行清洗處理，然后再對(duì)斷口分叉部位進(jìn)行分析。圖4為左右兩端分叉部位取下的兩個(gè)分析試樣1#、2#的形貌。

分別在1#、2#的斷口尖端部位切取試樣，用于觀察斷口的形貌和進(jìn)行能譜分析，切取位置如圖中的紅色線(xiàn)框所示。在遠(yuǎn)離斷口部位的完好位置處分別切取3個(gè)金相試樣用于觀察爆破氣瓶?jī)?nèi)外及中間表面的金相組織并進(jìn)行晶粒度和夾雜物分析，切取位置如圖中的黃色線(xiàn)框所示。

2.掃描電鏡及能譜分析

試樣1#、2#的斷口分叉處即尖端部位的顯微形貌分別如圖5、圖6所示；1#金相試樣的顯微形貌如圖7所示。

圖1 爆破氣瓶的完整形貌

圖2 管體的爆破撕裂方向

圖3 斷口橫截面放大

圖4 取下的斷口分析試樣

圖5 1#斷口尖端部位顯微形貌

從圖中可以清晰地看到，斷裂平面幾乎沒(méi)有韌窩。對(duì)比圖5、圖6可見(jiàn)，1#、2#的斷口尖端部位，特別是1#斷口的尖端部位中存在著大量的圓球形顆粒，如圖中線(xiàn)框所示。這些圓球形顆粒與材料基體相連，說(shuō)明圓球形顆粒不是外界帶入的，而是材料中本身就存在的。顯然，這些圓球形顆粒是材料在鑄造過(guò)程中形成的缺陷。為弄清圓球形顆粒的成分，對(duì)金相試樣表面和圓球形顆粒進(jìn)行能譜分析（見(jiàn)圖8、圖9）。

表1為金相試樣表面即基體的能譜分析結(jié)果，表2為圓球形顆粒的能譜分析結(jié)果。從中可以看出，圓球形顆粒的元素成分和基體基本一樣，但含有較多的氧元素，說(shuō)明該圓球形顆粒主要為氧化物夾雜，且是材料內(nèi)部本身存在的。這些圓球形夾雜物顆粒的存在使材料的脆性增大，降低了材料的韌性，容易使裂紋沿著這些有圓球形顆粒的區(qū)域擴(kuò)展。

由以上分析可知，斷口分叉部位存在大量的氧化夾雜顆粒，這些顆粒的存在大大降低了材料的韌性，而裂紋一般沿著阻力最小的地方擴(kuò)展。因此，裂紋容易沿著這些含有大量氧化物顆粒的區(qū)域擴(kuò)展，這個(gè)區(qū)域的裂紋擴(kuò)展阻力最小，這是該高壓氣瓶爆破試驗(yàn)中裂縫在此處出現(xiàn)分叉的原因之一。

3.金相分析

為深入分析該高壓氣瓶自身的特性，在斷口部位選取1#和2#斷口，在遠(yuǎn)離斷口部位選取2#的3個(gè)金相試樣，分析兩個(gè)斷口和鋼管內(nèi)壁、中間和外壁的金相組織。1#、2#斷口附近的金相組織如圖10、圖11所示；遠(yuǎn)離斷口的鋼管內(nèi)壁、中間和外壁的金相組織如圖12～圖14所示。

圖6 2#斷口尖端部位顯微形貌

圖7 1#金相試樣顯微形貌

圖8 金相試樣表面的能譜圖

圖9 1#斷口圓球形顆粒的能譜圖

表1 金相試樣表面能譜分析的元素含量 （%）

表2 圓球形顆粒能譜分析的元素含量 （%）

從圖10可以看出，1#斷口大部分區(qū)域組織為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有一處邊角區(qū)域組織為索氏體，有成分偏析現(xiàn)象；從圖11可以看出，2#斷口附近組織與其他部位組織相同，均為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有成分偏析現(xiàn)象。

由圖12～圖14可以看出，2#內(nèi)壁的金相組織為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有成分偏析現(xiàn)象；2#中間的金相組織為索氏體+貝氏體+塊狀鐵素體；2#外壁的金相組織為索氏體。

該鋼管的熱處理為淬火+高溫回火，熱處理后的正常組織應(yīng)為回火索氏體，因此該鋼管除了外壁的組織符合要求外，其余部分均與設(shè)計(jì)要求不太符合。

分別對(duì)兩個(gè)斷口和氣瓶?jī)?nèi)壁、中間和外壁進(jìn)行晶粒度評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果如圖15所示。

根據(jù)GB/T 6394—2002金屬平均晶粒度測(cè)定法，1#、2#斷口以及2#內(nèi)壁、中間和外壁的晶粒度均為8.0級(jí)。

分別對(duì)兩個(gè)斷口和氣瓶?jī)?nèi)壁、中間和外壁進(jìn)行夾雜物評(píng)級(jí)，評(píng)級(jí)結(jié)果如圖16所示。

根據(jù)GB/T 10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量進(jìn)行測(cè)定。

（1）1#斷口夾雜物評(píng)級(jí) 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細(xì)系：A0.5、B0、C0、D1、DS0。

（2）2#斷口夾雜物評(píng)級(jí) 粗系：A0、B0、C0、D1；細(xì)系：A0、B0、C0、D0.5、DS0。

（3）2#內(nèi)壁夾雜物評(píng)級(jí) 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細(xì)系：A0.5、B0、C0、D1、DS0。

（4）2#中間夾雜物評(píng)級(jí) 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細(xì)系：A0.5、B0、C0、D0.5、DS0。

（5）2#外壁夾雜物評(píng)級(jí) 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細(xì)系：A0.5、B0、C0、D1、DS1。

由晶粒度和夾雜物評(píng)級(jí)可知，該高壓氣瓶材料晶粒較細(xì)，晶粒度符合要求；但D類(lèi)夾雜物即環(huán)狀氧化物類(lèi)夾雜較多，這與掃描電鏡觀察的材料中本身存在較多氧化物夾雜的結(jié)果是一致的。

圖10 1#斷口的金相

圖11 2#斷口的金相

圖12 2#內(nèi)壁的金相

圖13 2#中間的金相

4.結(jié)果分析

（1）爆破高壓氣瓶裂紋分叉的斷口部位存在著較多的鑄造過(guò)程中形成的氧化物夾雜，此類(lèi)缺陷的存在為裂紋的擴(kuò)展提供了有利條件，大大減小了裂紋擴(kuò)展的阻力，以致高壓氣瓶爆破試驗(yàn)中裂紋在該部位出現(xiàn)分叉。

（2）高壓氣瓶全壁厚呈現(xiàn)出組織的不一致性，鋼管外壁為索氏體組織，中間為索氏體+貝氏體+塊狀鐵素體組織，內(nèi)壁為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體組織，且組織存在成分偏析現(xiàn)象。由于貝氏體組織的塑性不如索氏體組織，而鐵素體組織的存在會(huì)降低材料的強(qiáng)度，因此沿著壁厚方向，從內(nèi)壁到外壁的強(qiáng)度、塑性和沖擊韌度會(huì)不一致，就會(huì)對(duì)爆破試驗(yàn)中材料的承壓能力和斷口形貌產(chǎn)生影響。而鋼管內(nèi)外壁的組織差異是在調(diào)質(zhì)過(guò)程中形成的，與材料的熱處理工藝有直接關(guān)系。

5.改進(jìn)措施

（1）提高高壓氣瓶原材料的純凈度，嚴(yán)格控制熔煉及澆注環(huán)節(jié)，減少材料內(nèi)部氧化物夾雜的數(shù)量，降低鋼液冷卻凝固過(guò)程中成分偏析的程度，確保所使用的材料有優(yōu)良的強(qiáng)度和塑性。

（2）嚴(yán)格執(zhí)行制訂的熱處理工藝規(guī)范，如加熱溫度、保溫時(shí)間等；優(yōu)化鋼的熱處理工藝，尤其應(yīng)改善淬火冷卻條件，確保氣瓶?jī)?nèi)外壁冷卻速度接近，提高材料組織的均勻一致性。

圖14 2#外壁的金相

圖15 晶粒度評(píng)級(jí)

圖16 夾雜物評(píng)級(jí)

20150315