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        熱水器內(nèi)膽水壓疲勞試驗開裂原因分析

        2018-11-28 03:08:56牟祖茂宋祖峰
        關(guān)鍵詞:力學(xué)性能裂紋焊縫

        楊 崢,李 進(jìn),牟祖茂,宋祖峰

        (馬鋼股份公司技術(shù)中心 安徽馬鞍山 243000)

        熱水器內(nèi)膽是熱水器的主體部件,作為儲水并將水在其內(nèi)進(jìn)行加熱的容器,由于水的反復(fù)進(jìn)出及加熱冷卻,內(nèi)膽將長期處于一個壓力變化的環(huán)境之中工作。因此,生產(chǎn)廠在生產(chǎn)熱水器內(nèi)膽時,將會進(jìn)行水壓疲勞試驗,通過以一定的頻率改變熱水器內(nèi)膽內(nèi)的水壓,來檢測熱水器內(nèi)膽的承壓能力。

        某廠生產(chǎn)的熱水器內(nèi)膽,采用三段式埋弧焊接,產(chǎn)品焊縫示意圖見圖1,每個內(nèi)膽上有直焊縫一條,弧形焊縫兩條,在進(jìn)行水壓疲勞試驗時,多次發(fā)生直焊縫開裂漏水事件。本文通過對熱水器內(nèi)膽裂紋的檢測與分析,探討熱水器水壓疲勞試驗開裂的主要原因。

        1 取樣及試驗方法

        觀察焊縫裂紋區(qū)域,可見焊縫一側(cè)存在長度約100 mm左右的裂紋。在焊縫開口最大處取1#試樣,在臺式鉗上壓斷,用以觀察斷口形貌。在焊縫裂紋區(qū)域以線切割加工的方式切取兩塊金相試樣,用以從截面觀察焊縫裂紋形貌及裂紋附近組織形態(tài)。在遠(yuǎn)離焊縫處切取4#、5#試樣,分別用以進(jìn)行化學(xué)成分分析和拉伸力學(xué)性能檢驗。取樣示意圖見圖2。

        2 試驗結(jié)果與分析

        2.1 化學(xué)成分

        化學(xué)成分分析結(jié)果見表1,未見異常。

        表1 化學(xué)成分(%)

        2.2 拉伸力學(xué)性能

        拉伸力學(xué)性能試驗結(jié)果見表2,該熱水器內(nèi)膽的力學(xué)性能符合產(chǎn)品要求。

        表2 力學(xué)性能

        2.3 斷口觀察

        用掃描電鏡對1#裂紋壓斷斷口進(jìn)行觀察,斷裂源于熱水器內(nèi)膽外側(cè)面,如圖3(a)所示。斷裂源區(qū)斷口形貌為脆性準(zhǔn)解理,未見夾雜等缺陷,如圖3(b)所示。斷裂擴展區(qū)為脆性疲勞斷口形貌,可見明顯的疲勞輝紋,如圖3(c)所示。斷口顯示,裂紋是在熱水器內(nèi)膽外表面形成后,內(nèi)膽中不斷變化的水壓周期性的改變裂紋兩側(cè)的應(yīng)力,使裂紋以疲勞斷裂的方式不斷向熱水器內(nèi)表面擴展的。

        圖3 斷口微觀形貌

        2.4 金相檢驗

        將2#和3#試樣鑲嵌后,用240#—600#—1200#水磨氧化鋁砂紙磨平后拋光,并用4%硝酸酒精浸蝕后,觀察焊縫、裂紋形態(tài)及試樣各處組織。圖4(a)、4(b)為2#試樣焊縫低倍及裂紋,圖5(a)、5(b)為3#試樣焊縫低倍及裂紋,兩個試樣的裂紋均位于一側(cè)焊肉與基板連接處,而另一側(cè)則未見裂紋。裂紋所在的連接處,其焊肉余高與基板之間夾角與未見裂紋一側(cè)相比,均顯得更加尖銳,此處更易產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象。

        此外,從裂紋與焊縫的位置關(guān)系來看,我們還可以發(fā)現(xiàn),裂紋起源于焊縫與熱影響區(qū)的交界處,如圖6所示。焊縫處組織為鐵素體+貝氏體+少量珠光體,如圖7所示,熱影響區(qū)組織為鐵素體+珠光體+少量貝氏體,如圖8所示。裂紋兩側(cè)組織存在明顯差異,此處會產(chǎn)生一定的組織應(yīng)力。試樣基體組織為鐵素體+少量珠光體+少量滲碳體,未見異常組織。

        圖4 2#試樣焊縫低倍與裂紋形貌

        圖5 3#試樣焊縫低倍與裂紋形貌

        圖6 裂紋與附近組織 100×

        圖7 焊縫組織 500X

        圖8 熱影響區(qū)組織 500X

        3 討論分析

        由以上檢驗結(jié)果可見,該熱水器內(nèi)膽的化學(xué)成分、力學(xué)性能均符合產(chǎn)品要求,基體金相組織亦未見異常。斷裂源于焊肉與基體交界處,此處也是焊縫與熱影響區(qū)的交界處,因此這里存在由焊縫與熱影響區(qū)組織差異帶來的組織應(yīng)力,并且當(dāng)熱水器內(nèi)膽在水壓疲勞試驗過程中,受到水壓膨脹作用力時,在焊肉與基體所構(gòu)成的尖角處容易產(chǎn)生應(yīng)力集中,因此該處屬于應(yīng)力高度集中區(qū)域。當(dāng)該處應(yīng)力超出材料所能承擔(dān)的范圍時,就會形成裂紋源,并在周期變化的水壓驅(qū)動下,形成疲勞裂紋擴展。

        4 結(jié)語

        該熱水器屬于應(yīng)力疲勞斷裂,焊縫與基體夾角處存在較大應(yīng)力集中是導(dǎo)致斷裂產(chǎn)生的主要原因。

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