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        鈦合金氣瓶疲勞試驗(yàn)殼體開裂失效分析

        2021-08-30 06:21:26歐陽瑞潔張永紅姜玉恒
        壓力容器 2021年7期
        關(guān)鍵詞:偏析脆性氣瓶

        張 海,歐陽瑞潔,張永紅,姜玉恒

        (蘭州空間技術(shù)物理研究所,蘭州 730000)

        0 引言

        TC4鈦合金作為一種α+β型鈦合金,具有較高的比強(qiáng)度和比剛度、優(yōu)良的蠕變和疲勞性能、良好的耐腐蝕性等優(yōu)點(diǎn),在航空航天及其他工業(yè)領(lǐng)域應(yīng)用日益廣泛[1-5]。作為某型號(hào)推進(jìn)分系統(tǒng)供氣裝置的鈦合金氣瓶,其為球形結(jié)構(gòu),采用TC4鈦合金加工焊接而成,直徑SR625 mm,基礎(chǔ)壁厚1.3 mm。該氣瓶加工焊接成型后進(jìn)行疲勞試驗(yàn),疲勞試驗(yàn)時(shí),氣瓶內(nèi)部充3 MPa水壓,在進(jìn)行12次充放壓后,氣瓶殼體發(fā)生開裂失效,未達(dá)設(shè)計(jì)指標(biāo)疲勞次數(shù)20次的要求。

        1 宏觀形貌分析

        氣瓶的開裂區(qū)域宏觀形貌見圖1,氣瓶的開裂位置位于其中的一個(gè)半球母材上,裂紋中部張口較大。解剖后氣瓶宏觀形貌見圖2,裂紋長約500 mm,裂紋附近氣瓶表面呈亮灰色、無腐蝕及機(jī)械損傷痕跡;裂紋中部存在1處長約90 mm的平斷口區(qū)(對(duì)照?qǐng)D1解剖前開裂位置形貌,平斷口位于裂紋中部開口最大區(qū)域),其他區(qū)域斷面均為45°斜斷口。

        圖1 爆破氣瓶的宏觀形貌

        圖2 分解后斷口形貌

        采用機(jī)械方法將平斷口區(qū)域分解下來進(jìn)行觀察,平斷口源區(qū)位于外表面,為線源起裂,源區(qū)及附近擴(kuò)展區(qū)略粗糙、可見反光小刻面;其他擴(kuò)展區(qū)較平坦、細(xì)膩,形貌見圖3。以上觀察結(jié)果表明,平斷口區(qū)域?yàn)槭紫乳_裂區(qū)域,斜斷口區(qū)域?yàn)閿U(kuò)展區(qū)。采用游標(biāo)卡尺對(duì)首先開裂區(qū)域壁厚進(jìn)行測試,隨機(jī)測試3個(gè)點(diǎn),壁厚分別為1.30,1.31,1.32 mm,平均壁厚1.31 mm,滿足設(shè)計(jì)要求。

        圖3 斷口宏觀形貌

        2 微觀形貌分析

        將斷口置于掃描電鏡下進(jìn)行微觀形貌觀察。斷口源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)呈準(zhǔn)解理形貌,局部可見磨損形貌,終斷區(qū)呈韌窩新貌,見圖4。斷口形貌特征表明,氣瓶的開裂模式為脆性開裂[6-7]。脆性開裂區(qū)域在深度方向的深度約1 mm。

        (a)斷口低倍形貌 (b)斷口源區(qū)準(zhǔn)解理+磨損形貌

        對(duì)斷面不同區(qū)域分別進(jìn)行能譜分析,包括斜斷口區(qū)域(呈韌窩形貌)和準(zhǔn)解理脆性斷口區(qū)域(隨機(jī)測試3個(gè)點(diǎn))。測試結(jié)果表明,斜斷口區(qū)域成分及含量符合TC4牌號(hào)要求,脆性斷口區(qū)域Al含量比GB/T 3620.1—2016《鈦及鈦合金牌號(hào)和化學(xué)成分》要求值低,測試結(jié)果見表1。

        表1 能譜成分分析

        (a)人工斷口低倍形貌

        在平斷口區(qū)域制備一個(gè)人工斷口進(jìn)行比對(duì)觀察,結(jié)果表明靠近外表面斷口呈準(zhǔn)解理形貌、且可見二次裂紋[8],表明該區(qū)域材料偏脆;靠近內(nèi)表面斷口呈韌窩形貌,見圖5。人工斷口微觀形貌與裂紋斷口對(duì)應(yīng)區(qū)域微觀形貌相似。

        3 金相及顯微硬度分析

        在斷口源區(qū)及擴(kuò)展區(qū)位置分別取樣,制備成金相試樣并進(jìn)行組織觀察和顯微硬度測試。

        斷口及附近區(qū)域的組織與正常區(qū)域的組織存在明顯差異:正常區(qū)域組織為均勻的α+β雙相組織[9-10]、晶粒細(xì)??;而斷口附近組織也為α+β雙相組織、但組織粗大,粗大組織區(qū)域在壁厚方向深約1 mm,該區(qū)域?qū)?yīng)斷口準(zhǔn)解理區(qū)域,如圖6所示。

        (a)正常區(qū)域組織形貌

        對(duì)粗大組織區(qū)和正常組織區(qū)分別進(jìn)行顯微硬度測試,測試結(jié)果如表2所示。測試結(jié)果表明,粗大組織異常區(qū)域的顯微硬度明顯高于組織正常區(qū)域。

        表2 顯微硬度測試結(jié)果

        4 機(jī)理分析

        能譜分析及金相分析結(jié)果表明,氣瓶基體所用材料主要成分及組織狀態(tài)未見異常。尺寸測量結(jié)果表明,首先開裂區(qū)域壁厚約1.31 mm,符合設(shè)計(jì)壁厚要求,不是由于壁厚超差引起的失效。

        氣瓶經(jīng)過12次疲勞試驗(yàn)后,在一個(gè)半球身部開裂,裂紋附近的內(nèi)外表面均呈亮灰色,未見腐蝕、機(jī)械損傷等異常痕跡。首先開裂區(qū)位于裂紋中部開裂最大區(qū)域,為平斷口,該區(qū)域外表面為裂紋起源處,其斷面呈準(zhǔn)解理形貌,部分區(qū)域可見磨損形貌;擴(kuò)展區(qū)為斜斷口,其斷面形貌由準(zhǔn)解理形貌逐步過渡為韌窩形貌。以上形貌特征表明,氣瓶的開裂模式為脆性開裂。

        高、低倍組織觀察結(jié)果表明,首先開裂區(qū)域外表面存在偏析缺陷,偏析區(qū)域弧長約90 mm、寬約5 mm,在壁厚方向上最深約1.0 mm;能譜分析結(jié)果表明,偏析區(qū)域Al元素含量偏低(Al含量為5.1%,GB/T 3620.1—2016中要求Al含量為5.5%~6.5%)。偏析區(qū)域組織粗大、硬度高、脆性大[11],造成該區(qū)域在疲勞試驗(yàn)過程中發(fā)生開裂失效。

        5 結(jié)論

        通過對(duì)開裂氣瓶的觀察與分析認(rèn)為,氣瓶的開裂模式為脆性開裂,開裂原因是由于氣瓶外表面局部區(qū)域存在Al偏析,偏析區(qū)域組織粗大、硬度高、脆性大,在多次充放壓(疲勞試驗(yàn))過程中,從外表面偏析區(qū)域起源、擴(kuò)展,最終發(fā)生開裂失效。

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