某制冷公司壓縮機(jī)熱交換用不銹鋼彎頭,使用10個(gè)月后出現(xiàn)開裂并發(fā)生氟利昂噴射泄露。該不銹鋼彎頭為C10800無氧脫磷銅,其加工工藝為:熱擠壓管坯———冷拔———彎頭成型機(jī)壓彎———再結(jié)晶退火。彎頭通過焊接連接兩直管,管內(nèi)工作介質(zhì)為氟利昂R22,流動(dòng)速度較高,溫度范圍-30℃～-40℃。在管路上距彎頭0.1.5mm處設(shè)有固定支座,在管路上每1.1.5m～2.1.0m也設(shè)有固定支座。使用中壓縮機(jī)工作對(duì)不銹鋼換熱管產(chǎn)生一定的振動(dòng)。為配合分析,廠家提供了該種不銹鋼管件未使用的彎頭一件以作對(duì)比。
一、試驗(yàn)方法
首先對(duì)開裂不銹鋼彎頭進(jìn)行宏觀分析,發(fā)現(xiàn)宏觀裂紋位于彎頭90度夾角的內(nèi)側(cè)并沿圓周方向延長,裂紋總長約10mm左右。我們采用機(jī)械加壓方法將彎頭沿裂紋處折斷,并在掃描電鏡下觀察該斷面形貌。再從未經(jīng)使用的彎管和開裂的彎管上分別切下一個(gè)試樣用于金相對(duì)比分析。切割后的斷口試樣先用水清洗后,再用丙酮清洗并干燥后待觀察。金相試樣經(jīng)機(jī)械磨拋后再用4%的硝酸酒精溶液化學(xué)浸蝕,用光學(xué)金相顯微鏡觀察其顯微組織。最后用掃描電鏡和電子探針X.2射線能譜定量分析儀檢查了開裂彎頭的晶內(nèi)及晶界元素含量及其分布狀態(tài)。
二、試驗(yàn)結(jié)果
1. 裂紋和斷面形貌
通過目視檢查發(fā)現(xiàn),有一條裂紋位于不銹鋼彎頭90度夾角內(nèi)靠左側(cè),沿管壁圓周方向近似直線狀延伸,長約10mm。彎管沿裂紋處折斷后的斷口低倍掃描電鏡照片如圖所示，斷口平齊,壁厚無明顯減薄,沒有明顯的塑性變形跡象,絕大部分?jǐn)嗝娼Y(jié)構(gòu)粗糙呈顆粒狀,邊緣無明顯剪切唇,也無纖維狀和放射狀特征。圖所示不銹鋼彎頭外表面有小凹坑,經(jīng)掃描電鏡高倍放大后觀察分析,該區(qū)域?yàn)閿嗔言磪^(qū),顯微開裂從外壁向內(nèi)壁大致呈Z字形擴(kuò)展。裂紋源區(qū)整體上顯示出冰糖狀沿晶界脆性開裂形貌,但還能看到較大面積的穿晶裂紋,無塑性變形特征。圖為裂紋向內(nèi)壁擴(kuò)展處的斷面特征,可以看到有明顯的疲勞輝紋,這說明裂紋是以準(zhǔn)解理的方式擴(kuò)展的,并在介質(zhì)的沖擊下在斷面上形成了細(xì)密的疲勞輝紋。
2. 顯微組織
圖為使用正常不銹鋼彎頭和開裂彎頭的相同放大倍數(shù)的金相組織。經(jīng)對(duì)比可以看出,未使用新彎頭的α2Cu單相組織較細(xì)密均勻的單相孿晶組織,其晶粒尺寸較大,孿晶界面隨晶粒長大而變寬增厚,這種大塊孿晶組織能改變晶體位向,使得位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)更容易從而引起彎頭強(qiáng)度下降,脆性增加。
3. 彎頭化學(xué)成分分析
為查明裂縫不銹鋼彎頭的材料的化學(xué)成分,分別用掃描電鏡能譜分析及電子探針X射線能譜定量分析檢查了開裂彎頭的晶內(nèi)及晶界元素分布狀態(tài),其結(jié)果如圖所示: 銅含量為99.1.841%,符合要求,晶界未見有雜質(zhì)偏聚等異?，F(xiàn)象。
三、分析與討論
從以上檢測分析結(jié)果可以看出,熱交換用不銹鋼彎頭的化學(xué)組成符合要求,也無晶界雜質(zhì)偏聚現(xiàn)象。開裂不銹鋼彎頭的金相組織晶粒粗大,造成了彎頭材質(zhì)的強(qiáng)度顯著下降,脆性增大。圖所示裂紋源區(qū)的表面凹坑,是在冷加工的變形過程中,表面金屬的流動(dòng)受到模具內(nèi)壁的機(jī)械阻礙局部不均勻而形成的。這些凹坑屬于表面缺陷,容易出現(xiàn)三向應(yīng)力區(qū)而造成局部應(yīng)力集中并導(dǎo)致顯微裂紋萌生。不銹鋼彎頭在使用時(shí),彎頭轉(zhuǎn)角處沖擊力較大,應(yīng)力集中系數(shù)大,而且彎頭組織中孿晶界面能較高,顯微裂紋優(yōu)先在孿晶界面處形成,再由于壓縮機(jī)工作引起的振動(dòng),導(dǎo)致微觀下裂紋沿徑向呈Z字形疲勞擴(kuò)展,最終導(dǎo)致裂紋處液體泄露。
四、結(jié)論和建議
1. 不銹鋼彎頭的開裂屬于伴有穿晶撕裂的脆性沿晶開裂。
2. 不銹鋼彎頭組織中晶粒粗大,使得彎頭強(qiáng)度降低,沖擊疲勞抗力較低;同時(shí)寬而厚的孿晶界面使得彎頭凹坑缺陷處萌生的裂紋容易沿孿晶界擴(kuò)展并最終穿透是工程彎頭失效的主要原因。
3. 建議在不銹鋼彎頭冷加工時(shí)使其變形均勻,提高表面質(zhì)量,提高抗疲勞性;同時(shí)退火處理時(shí)退火溫度取再結(jié)晶溫度下限及縮短退火時(shí)間使晶粒細(xì)化;在焊接直銅管時(shí),要采取冷卻方式冷卻彎管,防止焊接熱影響區(qū)過熱,以避免晶粒粗大。
