王 影，謝國君，韓 露，逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

法蘭開裂原因分析

王 影，謝國君，韓 露，逄錦程

(航天材料及工藝研究所，北京 100076)

不銹鋼法蘭安裝到發(fā)動機(jī)上后在寧波停放5年，檢查發(fā)現(xiàn)多件法蘭表面均存在多條徑向裂紋。通過對裂紋及斷口形貌觀察、金相分析、材料成分檢測，分析法蘭的斷裂原因。結(jié)果表明，法蘭的開裂模式為應(yīng)力腐蝕，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的原因是由于法蘭所用材料牌號與設(shè)計要求不符合，用1Cr17Ni7材料代替了304不銹鋼，而1Cr17Ni7材料的耐腐蝕及晶間腐蝕性能均比304不銹鋼差，同時1Cr17Ni7材料組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致其耐晶界腐蝕能力進(jìn)一步下降。

法蘭；不銹鋼；應(yīng)力腐蝕；網(wǎng)狀碳化物

0 引言

法蘭一般用于零件的轉(zhuǎn)接，便于拆裝。法蘭配對使用，是通過螺栓緊固在一起。管道法蘭材料一般使用Q235，設(shè)備法蘭材料一般使用20鋼、16Mn、304、316、316L。

為了考察存儲環(huán)境對發(fā)動機(jī)的影響，將發(fā)動機(jī)存放在條件相對苛刻的高溫高濕的南方海邊， 5年后檢查發(fā)現(xiàn)20臺設(shè)備的出口法蘭均存在嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，其中14臺設(shè)備出口法蘭同時存在開裂現(xiàn)象。本次開裂法蘭所用材料為304不銹鋼，由于不銹鋼材料具有優(yōu)異的力學(xué)性能和耐蝕性，所以廣泛地應(yīng)用于各種腐蝕環(huán)境中，尤其是海洋苛刻的腐蝕環(huán)境中，但不銹鋼構(gòu)件及零部件長時間在這種腐蝕環(huán)境中使用后其表面腐蝕是不可避免的，在自身所受應(yīng)力及腐蝕的共同影響下，不銹鋼材料除了發(fā)生均勻腐蝕外，還會發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕開裂，具有極大的破壞性。

影響不銹鋼應(yīng)力腐蝕兩大因素為內(nèi)因和外因：內(nèi)因主要包括材料成分及組織狀態(tài)，外因主要包括使用環(huán)境(腐蝕介質(zhì)濃度、溫度)及自身所受應(yīng)力狀態(tài)。本研究通過對法蘭開裂原因進(jìn)行分析，找出其發(fā)生應(yīng)力腐蝕的主要原因，為產(chǎn)品在海邊存儲、延壽提供技術(shù)支持。

1 試驗過程與分析

1.1 裂紋觀察及裂紋斷面觀察

開裂法蘭的宏觀形貌見圖1，法蘭表面存在嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，目視表面可見8條沿徑向裂紋，裂紋均未穿透壁厚，8條裂紋在周向上均勻分布，每條裂紋均由多條斷續(xù)小裂紋組成。

采用機(jī)械方法將裂紋打開后觀察，裂紋斷面凹凸不平，斷面附著紅褐色銹蝕產(chǎn)物，人工斷面呈亮金屬色(圖2)。

圖1 裂紋宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of surface crack

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of fracture

將斷面清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行形貌觀察和能譜分析，整個裂紋斷面均呈沿晶形貌，部分區(qū)域可見明顯的沿晶二次裂紋，晶面上附著一層腐蝕產(chǎn)物，能譜分析腐蝕產(chǎn)物主要含有O、Fe、Cr和含量較高的S、Cl元素；人工斷面呈韌窩形貌，能譜分析主要含有Fe、Cr(19.0%)、Ni(7.1%)、Si(1.0%)、Mn(1.9%)元素(均為質(zhì)量分?jǐn)?shù))。斷口微觀形貌見圖3。以上斷口形貌特征表明法蘭開裂性質(zhì)為脆性開裂。

1.2 金相分析及顯微硬度測試

在平行裂紋附近取樣制備金相試樣磨拋后觀察，試樣上存在多條基本沿徑向的微裂紋(圖4)。

圖3 斷口微觀形貌Fig.3 Micro morphology of fracture

將金相試樣浸蝕后觀察可見：1)裂紋均沿晶擴(kuò)展；2)基體晶粒大小不均勻，部分晶粒較大(按照GB/T 6394—2002超過00級)，部分晶粒相對細(xì)小(8.5級)，且大晶粒區(qū)和小晶粒區(qū)間隔分布；3)晶界上存在網(wǎng)狀分布的顆粒狀碳化物。

對試樣進(jìn)行硬度測試，結(jié)果為HV0.2234、235、245、237、250，平均值為HV0.2240，相當(dāng)于HRC 20.5。

1.3 化學(xué)成分分析

在法蘭上取樣、采取化學(xué)法對材料成分進(jìn)行測試，結(jié)果表明法蘭所用材料的牌號不符合304不銹鋼(相當(dāng)于國內(nèi)牌號0Cr18Ni9)要求，與1Cr17Ni7相符，測試結(jié)果詳見表1。

圖4 裂紋形貌Fig.4 Crack morphology

2 分析與討論

出口法蘭安裝到設(shè)備上后在寧波停放了5年，發(fā)現(xiàn)20臺設(shè)備出口法蘭中14臺出口法蘭均存在開裂現(xiàn)象。選擇其中一件法蘭進(jìn)行觀察，發(fā)現(xiàn)其表面存在嚴(yán)重的銹蝕現(xiàn)象，并可見8條明顯的徑向裂紋，每條裂紋均由多條斷續(xù)小裂紋組成。裂紋斷口觀察結(jié)果表明裂紋斷面凹凸不平，斷面附著紅褐色銹蝕產(chǎn)物，微觀呈沿晶形貌，晶面上附著一層基體腐蝕產(chǎn)物，且腐蝕產(chǎn)物中含有較高的腐蝕性介質(zhì)S、Cl元素。以上斷口形貌特征表明法蘭開裂性質(zhì)為脆性開裂，開裂機(jī)理為應(yīng)力腐蝕。

化學(xué)分析結(jié)果表明法蘭所用材料為1Cr17Ni7，

圖5 法蘭組織形貌Fig.5 Microstructure of flange表1 材料成分分析結(jié)果 (質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis (mass fraction /%)

ElementCSPCrNiTiMnSiFlange0.140.0450.01716.77.70.0031.000.661Cr17Ni7≤0.15≤0.030≤0.04516.0～18.06.0～8.0≤2.00≤1.00304(0Cr18Ni9)<0.08<0.030<0.04518.0～20.08.0～12.0<2.00<1.00

不符合設(shè)計牌號304(0Cr18Ni9)的要求，1Cr17Ni7與304相比，C含量高且Cr、Ni含量低，導(dǎo)致其耐腐性(均勻腐蝕及耐晶間腐蝕)能低。

金相分析結(jié)果表明裂紋均沿晶擴(kuò)展，晶粒大小不均勻，且存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物。大量碳化物的析出造成晶界Cr含量降低[1-3]，貧Cr區(qū)的電極電位比晶體內(nèi)低，在腐蝕介質(zhì)的作用下，電極電位低的晶界成為陽極而被腐蝕，導(dǎo)致材料的耐晶間腐蝕能力下降[4-8]。

綜合分析認(rèn)為：法蘭的開裂模式為應(yīng)力腐蝕，發(fā)生應(yīng)力腐蝕的原因與以下兩個因素有關(guān)：1)法蘭所用材料不符合設(shè)計要求，用1Cr17Ni7材料代替了304不銹鋼，而1Cr17Ni7材料的耐腐蝕及晶間腐蝕性能均比304不銹鋼差；2)1Cr17Ni7基體組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致材料的耐晶界腐蝕能力下降。

3 結(jié)論

1)法蘭的開裂模式為應(yīng)力腐蝕。

2)法蘭發(fā)生應(yīng)力腐蝕的原因是由于法蘭用1Cr17Ni7代替了設(shè)計要求的304不銹鋼，而且1Cr17Ni7基體組織存在沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物，導(dǎo)致材料的耐晶界腐蝕能力下降。

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Failure Analysis of Flange Crack

WANG Ying，XIE Guo-jun，HAN Lu，PANG Jin-cheng

(AerospaceResearchInstituteofMaterials&ProcessingTechnology,Beijing100076,China)

There were many radial cracks on the stainless steel flange surface after storing for five years in Nibo. Marco and micro observation, chemical composition analysis and metallurgical examination were carried out to find out the failure cause. The results show that the fracture mode is stress corrosion. The material of the flange is 1Cr17Ni7, but the not required material: 304. The corrosion resistance of 1Cr17Ni7 is poorer than that of 304. In addition, the carbide network along the grain boundaries in the 1Cr17Ni7 promoted the occurrence of stress corrosion.

flange; stainless steel; stress corrosion; carbide network

2016年9月17日

2016年11月7日

王影(1978年-)，女，碩士，高級工程師，主要從事機(jī)械產(chǎn)品失效分析等方面的研究。

TG115

A

10.3969/j.issn.1673-6214.2016.06.008

1673-6214(2016)06-0369-03