某制冷公司壓縮機熱交換用不銹鋼彎頭,使用10個(gè)月后出現開(kāi)裂并發(fā)生氟利昂噴射泄露。該不銹鋼彎頭為C10800無(wú)氧脫磷銅,其加工工藝為:熱擠壓管坯———冷拔———彎頭成型機壓彎———再結晶退火。彎頭通過(guò)焊接連接兩直管,管內工作介質(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處設有固定支座,在管路上每1.1.5m~2.1.0m也設有固定支座。使用中壓縮機工作對不銹鋼換熱管產(chǎn)生一定的振動(dòng)。為配合分析,廠(chǎng)家提供了該種不銹鋼管件未使用的彎頭一件以作對比。
一、試驗方法
首先對開(kāi)裂不銹鋼彎頭進(jìn)行宏觀(guān)分析,發(fā)現宏觀(guān)裂紋位于彎頭90度夾角的內側并沿圓周方向延長(cháng),裂紋總長(cháng)約10mm左右。我們采用機械加壓方法將彎頭沿裂紋處折斷,并在掃描電鏡下觀(guān)察該斷面形貌。再從未經(jīng)使用的彎管和開(kāi)裂的彎管上分別切下一個(gè)試樣用于金相對比分析。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(guān)察。金相試樣經(jīng)機械磨拋后再用4%的硝酸酒精溶液化學(xué)浸蝕,用光學(xué)金相顯微鏡觀(guān)察其顯微組織。最后用掃描電鏡和電子探針X.2射線(xiàn)能譜定量分析儀檢查了開(kāi)裂彎頭的晶內及晶界元素含量及其分布狀態(tài)。
二、試驗結果
1. 裂紋和斷面形貌
通過(guò)目視檢查發(fā)現,有一條裂紋位于不銹鋼彎頭90度夾角內靠左側,沿管壁圓周方向近似直線(xiàn)狀延伸,長(cháng)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(wú)明顯減薄,沒(méi)有明顯的塑性變形跡象,絕大部分斷面結構粗糙呈顆粒狀,邊緣無(wú)明顯剪切唇,也無(wú)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(guān)察分析,該區域為斷裂源區,顯微開(kāi)裂從外壁向內壁大致呈Z字形擴展。裂紋源區整體上顯示出冰糖狀沿晶界脆性開(kāi)裂形貌,但還能看到較大面積的穿晶裂紋,無(wú)塑性變形特征。圖為裂紋向內壁擴展處的斷面特征,可以看到有明顯的疲勞輝紋,這說(shuō)明裂紋是以準解理的方式擴展的,并在介質(zhì)的沖擊下在斷面上形成了細密的疲勞輝紋。
2. 顯微組織
圖為使用正常不銹鋼彎頭和開(kāi)裂彎頭的相同放大倍數的金相組織。經(jīng)對比可以看出,未使用新彎頭的α2Cu單相組織較細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(cháng)大而變寬增厚,這種大塊孿晶組織能改變晶體位向,使得位錯的運動(dòng)更容易從而引起彎頭強度下降,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(xiàn)能譜定量分析檢查了開(kāi)裂彎頭的晶內及晶界元素分布狀態(tài),其結果如圖所示: 銅含量為99.1.841%,符合要求,晶界未見(jiàn)有雜質(zhì)偏聚等異?,F象。
三、分析與討論
從以上檢測分析結果可以看出,熱交換用不銹鋼彎頭的化學(xué)組成符合要求,也無(wú)晶界雜質(zhì)偏聚現象。開(kāi)裂不銹鋼彎頭的金相組織晶粒粗大,造成了彎頭材質(zhì)的強度顯著(zhù)下降,脆性增大。圖所示裂紋源區的表面凹坑,是在冷加工的變形過(guò)程中,表面金屬的流動(dòng)受到模具內壁的機械阻礙局部不均勻而形成的。這些凹坑屬于表面缺陷,容易出現三向應力區而造成局部應力集中并導致顯微裂紋萌生。不銹鋼彎頭在使用時(shí),彎頭轉角處沖擊力較大,應力集中系數大,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,再由于壓縮機工作引起的振動(dòng),導致微觀(guān)下裂紋沿徑向呈Z字形疲勞擴展,最終導致裂紋處液體泄露。
四、結論和建議
1. 不銹鋼彎頭的開(kāi)裂屬于伴有穿晶撕裂的脆性沿晶開(kāi)裂。
2. 不銹鋼彎頭組織中晶粒粗大,使得彎頭強度降低,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)退火溫度取再結晶溫度下限及縮短退火時(shí)間使晶粒細化;在焊接直銅管時(shí),要采取冷卻方式冷卻彎管,防止焊接熱影響區過(guò)熱,以避免晶粒粗大。