周寶瑜

(西南實驗檢測中心,重慶 401120)

00Cr17Ni14Mo2鋼是一種超低碳奧氏體不銹鋼，焊接性能良好，對亞硫酸、磷酸、亞硫酸鹽均有良好的耐腐蝕性，一般用于制造化工、工業(yè)設(shè)備。某公司外購一成品法蘭用于磷酸+磷銨裝置的連接管道中,該法蘭的材料為00Cr17Ni14Mo2鋼，在進行焊接并準備二次利用時發(fā)現(xiàn)法蘭產(chǎn)生了裂紋。筆者采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、金相檢驗、斷口分析及力學(xué)性能測試等方法，對該法蘭產(chǎn)生裂紋的原因進行分析，以避免該類問題再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

開裂法蘭的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知：裂紋位于連接孔內(nèi)側(cè)，沿徑向呈十字線分布，在法蘭面開口較寬，焊縫一側(cè)較為纖細，裂紋從法蘭面向焊縫一側(cè)擴展，已貫穿法蘭厚度；焊縫一側(cè)兩連接孔外側(cè)亦有裂紋，裂紋擴展方向一致；連接孔外側(cè)裂紋尾端有分支，呈“人”字形斷續(xù)擴展。

將該法蘭沿裂紋處人工打開，觀察斷口形貌，結(jié)果如圖2所示。由圖2可知：裂紋斷面較平齊，被淡綠色附著物覆蓋，斷口附近未見宏觀塑性變形痕跡；人工撕開區(qū)域呈金屬光澤。

1.2 化學(xué)成分分析

對開裂法蘭取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示。由表1可知，該法蘭的碳元素含量超出GB/T 1220—2007 《不銹鋼棒》對00Cr17Ni14Mo2鋼的要求，其他各元素含量均符合GB/T 1220—2007的要求。

1.3 斷口分析

用Quanta 250型掃描電鏡(SEM)觀察斷口，結(jié)果如圖3所示。由圖3可知：斷口絕大部分被附著物覆蓋，無法分辨形貌，裂紋擴展的尾端可見沿晶斷口和沿晶界分布的二次裂紋；面積極小的人工撕開區(qū)域斷口為韌窩形貌。

圖1 開裂法蘭的宏觀形貌

圖2 斷口的宏觀形貌

表1 開裂法蘭的化學(xué)成分分析結(jié)果

圖3 斷口的SEM形貌

圖4 斷口表面附著物的EDS分析結(jié)果

用能譜儀(EDS)對斷口表面的附著物進行分析，結(jié)果如圖4所示，可見附著物中除了金屬基體元素外，主要含有氧、磷等元素。

1.4 金相檢驗

在開裂法蘭斷口處縱向截取金相試樣，經(jīng)磨制、拋光后，按照GB/T 10561—2005 《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標準評級圖顯微檢驗法》進行非金屬夾雜物評級，結(jié)果為A1.5級，B1級，C1.5級,D1級。

將試樣經(jīng)三氯化鐵+鹽酸+乙醇溶液侵蝕后，觀察試樣的顯微組織形貌，結(jié)果如圖5所示。由圖5可知：試樣基體組織為奧氏體+沿晶分布的碳化物；內(nèi)孔表面有向焊縫部位擴展延伸的樹枝狀裂紋，尾部有明顯的分叉，呈典型的應(yīng)力腐蝕開裂特征[1]，主裂紋及裂紋尾部兩側(cè)均可見較多沿晶界分布的二次細裂紋。

圖5 開裂法蘭的顯微組織形貌

1.5 力學(xué)性能測試

對開裂法蘭取樣進行力學(xué)性能測試，結(jié)果如表2所示。由表2可知，該法蘭的硬度高于GB/T 1220—2007的要求，抗拉強度符合GB/T 1220—2007的要求。

表2 開裂法蘭的力學(xué)性能測試結(jié)果

2 綜合分析

由宏觀觀察和斷口分析結(jié)果可知，該開裂法蘭發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂。該法蘭的使用環(huán)境為磷酸+磷銨，斷口上含有大量的氧、磷元素，因此判定該裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋。應(yīng)力腐蝕開裂是金屬零件在應(yīng)力(施加的外應(yīng)力或殘余應(yīng)力)和腐蝕介質(zhì)的作用下所引發(fā)的開裂[2]。

由化學(xué)分析結(jié)果可知，該開裂法蘭的碳元素含量嚴重超標。碳元素含量過高使材料的耐腐蝕性能降低，材料容易在拉應(yīng)力及腐蝕介質(zhì)的共同作用下發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂。

法蘭與管道的連接方式是將管子插入法蘭內(nèi)孔的適當位置，然后進行搭焊。在該狀態(tài)下，法蘭在90°十字線方向上受到的拉應(yīng)力最大，此處局部微區(qū)產(chǎn)生滑移臺階，破壞了表面的保護膜，露出了新鮮的合金表面。在滑移臺階附近的滑移帶上，堆積了大量的位錯，少量合金元素和雜質(zhì)原子在滑移帶上析出，使得滑移臺階附近的金屬活化，成為了電化學(xué)腐蝕的陽極，保護膜未破裂區(qū)成為了陰極，并在特定的弱腐蝕介質(zhì)中，發(fā)生電化學(xué)腐蝕[3]。應(yīng)力腐蝕開裂的產(chǎn)生條件是材料受小應(yīng)力的機械作用、有滑移臺階和電化學(xué)陽極，而腐蝕的本質(zhì)是化學(xué)作用。因此，該法蘭拉應(yīng)力最大處滿足機械-電化學(xué)反應(yīng)假設(shè)理論，極易產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕裂紋，該法蘭裂紋主要發(fā)生的位置也與之對應(yīng)。磷酸與磷銨為敏感應(yīng)力腐蝕介質(zhì)，該環(huán)境條件易使Fe-Cr-Ni奧氏體不銹鋼發(fā)生電化學(xué)腐蝕。

3 結(jié)論與建議

該法蘭的開裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕開裂，產(chǎn)生原因為：法蘭中的碳元素含量過高，降低了材料的耐腐蝕性能，促使法蘭發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂；材料在服役中存在裝配應(yīng)力和殘余應(yīng)力，服役環(huán)境符合產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)條件。

建議選擇合適的材料和裝配措施，降低零件的裝配應(yīng)力，切勿強迫裝配。使用時，法蘭間用襯墊密封好，避免與腐蝕介質(zhì)直接接觸。