郭壽鵬¹  高洪吉¹  李曉桐¹  鄭德榮²

（1． 山東省冶金科學(xué)研究院, 濟(jì)南250014 ; 2．山東省勞動(dòng)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 濟(jì)南250022）

　　摘要：鍋爐旋風(fēng)分離器中心筒上部吊掛腰筋和腰筋附近的筒體裂開，筒體上大面積出現(xiàn)蜂窩狀剝落坑，筒體變徑處出現(xiàn)大量貫穿性孔洞。采用化學(xué)成分分析、宏觀和金相檢驗(yàn)等方法對(duì)中心筒進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，中心筒焊補(bǔ)區(qū)存在未熔合缺陷，裂紋在未熔合缺陷處萌生和長大形成宏觀裂紋，導(dǎo)致材料失效；中心筒存在許多鑄造皮下氣孔，此為形成剝落坑的主要原因；剝落坑附近析出許多塊狀和棒狀碳化物，在晶界處有鏈狀碳化物，是產(chǎn)生宏觀剝落坑的誘因之一。

　　關(guān)鍵詞：中心筒 裂紋 化學(xué)成分 金相組織 失效分析

　　1 情況簡介

　　某熱電公司購買一臺(tái)整體鑄造旋風(fēng)分離器中心筒，使用一個(gè)半月后發(fā)現(xiàn)中心筒出現(xiàn)質(zhì)量問題，中心筒上部吊掛腰筋和腰筋附近的筒體裂開，筒體上大面積出現(xiàn)蜂窩狀剝落坑，筒體變徑處出現(xiàn)大量貫穿性孔洞。發(fā)現(xiàn)問題后使用方及時(shí)與供貨單位聯(lián)系，供貨單位派人維修，維修工藝是進(jìn)行堆焊和焊補(bǔ)。維修后繼續(xù)運(yùn)行使用，一個(gè)月后鍋爐因故障停爐檢修，發(fā)現(xiàn)中心筒上部焊補(bǔ)區(qū)再次開裂，筒體的部分焊補(bǔ)部位脫落。使用方組織檢修人員自行檢修，檢修完畢后投入運(yùn)行。三個(gè)月后停爐檢修時(shí)發(fā)現(xiàn)中心筒再次出現(xiàn)質(zhì)量問題，上部裂紋增多，前期出現(xiàn)的質(zhì)量問題加劇，使用方經(jīng)綜合分析認(rèn)為，此中心筒存在嚴(yán)重質(zhì)量問題。

針對(duì)以上情況，采用化學(xué)成分分析、宏觀和金相檢驗(yàn)等方法對(duì)中心筒進(jìn)行了分析。
 

　　2. 理化檢驗(yàn)

　　2.1 宏觀檢驗(yàn)

　　中心筒的吊掛端、加強(qiáng)筋及筒體均有多處開裂和焊補(bǔ)過的痕跡。中心筒吊掛端有兩塊約300×200（mm）和300×100（mm）的焊補(bǔ)區(qū)，在筒外側(cè)焊縫處有明顯的開裂（見圖1a），中心筒加強(qiáng)筋處有明顯的裂紋（見圖1b），中心筒筒體有已焊補(bǔ)過的多處孔洞，據(jù)使用方介紹，部分孔洞焊補(bǔ)前已穿透，筒體上有明顯的焊部過的剝落坑（見圖1c）。

a. 中心筒吊掛端焊補(bǔ)區(qū)裂紋形貌     b. 中心筒加強(qiáng)筋處的裂紋形貌     c.中心筒筒體焊補(bǔ)過的剝落坑形貌

圖1 中心筒宏觀缺陷形貌

　　2.2化學(xué)成分

    　化學(xué)成分分析結(jié)果表明，兩個(gè)試樣中的Mn（%）和一個(gè)試樣中的S（%）元素含量未達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求。（見表1）

表1  中心筒化學(xué)成分（%）

　　
　　2.3 金相檢驗(yàn)

　　分別在的焊補(bǔ)區(qū)、剝落坑處及表面無明顯缺陷處取金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)分析。

　　首先在焊補(bǔ)區(qū)取樣做金相檢驗(yàn)分析，試樣表面有清晰可見的裂紋。在顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，裂紋兩側(cè)組織有明顯的差別，存在未熔合缺陷，裂紋沿熔合線擴(kuò)展（見圖2，3，4，5）。

圖2. 未熔合區(qū)附近的裂紋形貌（100×）          圖3. 未熔合區(qū)的微觀形貌（100×）

圖4. 裂紋沿熔合線擴(kuò)展的典型形態(tài)（100×）     圖5. 裂紋尖端處熔合區(qū)的組織特征（100×）

　　金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，剝落坑處有棒狀和塊狀碳化物，沿晶界有鏈狀分布的碳化物（見圖6）。在剝落坑附近有清晰的沿晶裂紋（見圖7）。

圖6. 剝落坑處的鏈狀及棒狀碳化物（200×）       圖7. 剝落坑附近的晶間裂紋（200×）

　　在表面無明顯缺陷的部位，截取金相試樣進(jìn)行檢驗(yàn)，可見多個(gè)宏觀尺度的皮下氣孔。顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，氣孔附近有許多沿晶裂紋（圖8），兩個(gè)孔洞之間的裂紋相距很近（圖9）。表面無明顯缺陷的部位有較大的球形非金屬夾雜物（見圖10），依據(jù)GB/T10561－2005^[4]中的5.2.1條和附錄A中的DS（單顆粒球狀類）評(píng)級(jí)圖，該樣品的非金屬夾雜物可評(píng)定為3級(jí)。金相組織為奧氏體+鐵素體+碳化物，碳化物呈球狀、塊狀和鏈狀沿晶分布（見圖11）。

圖8. 皮下氣孔附近的沿晶裂紋（100×）          圖9. 皮下氣孔間的沿晶裂紋形態(tài)（100×）

圖10. 球狀非金屬夾雜物形態(tài)（100×）            圖11. 筒體材料的金相組織（100×）

　　

　　3. 分析討論

　　3.1化學(xué)成分分析

　　由表1可以看出，化學(xué)成分中部分元素含量符合技術(shù)協(xié)議要求，但Mn（%）、S（%）元素含量未達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求。

　　3.2 金相檢驗(yàn)結(jié)果分析

　　通過金相檢驗(yàn)可知，該中心筒的裂紋主要在焊接區(qū)形成，焊接區(qū)存在未熔合缺陷，未熔合缺陷為裂紋源，裂紋在此形成并沿熔合線擴(kuò)展?，F(xiàn)場勘驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，多數(shù)裂紋均發(fā)生在焊接部位，包括加強(qiáng)筋在內(nèi)的焊接部位均有不同程度的開裂。這是因?yàn)楹附訁^(qū)是兩種金屬的過渡部分，為組織薄弱區(qū)。裂紋在這些組織薄弱區(qū)或未熔合缺陷處容易萌生和長大，最后形成宏觀裂紋導(dǎo)致材料失效。

　　剝落坑的形成與鑄造皮下氣孔等缺陷有直接關(guān)系^[1]。由金相檢驗(yàn)分析可知，在氣孔缺陷附近有許多沿晶微裂紋，這些微裂紋顯著降低了中心筒的高溫蠕變強(qiáng)度，高溫下蠕變斷裂是沿晶斷裂，氣孔缺陷附近的微裂紋是引發(fā)蠕變斷裂的裂紋源，這些微裂紋的擴(kuò)展使鑄造氣孔連接起來，形成大量的剝落坑（表面剝落或貫穿孔洞）。

　　剝落坑的形成還與碳化物的數(shù)量和形態(tài)有關(guān)^[2]。由金相檢驗(yàn)分析可知，剝落坑附近的組織中存在許多塊狀和棒狀碳化物，晶界處存在鏈狀碳化物。材料在高溫下長期使用時(shí)，數(shù)量較多的大尺寸碳化物會(huì)引起晶界脆化，這是因?yàn)榫Ы邕w移時(shí)晶界上的第二相質(zhì)點(diǎn)構(gòu)成了晶界移動(dòng)的障礙，晶界移動(dòng)受阻將引發(fā)晶間裂紋^[3]，這也是產(chǎn)生宏觀剝落的誘因之一。

　　4. 結(jié)論

　　1. 化學(xué)分析表明，錳、硫含量未達(dá)到技術(shù)協(xié)議要求。

　　2. 中心筒焊補(bǔ)區(qū)存在未熔合缺陷，未熔合缺陷是裂紋源。裂紋在未熔合缺陷處萌生和長大形成宏觀裂紋，導(dǎo)致材料失效。此為產(chǎn)生裂紋的主要原因。

　　3. 中心筒存在許多鑄造皮下氣孔，金相分析表明，皮下氣孔附近存在大量微裂紋，在高溫使用過程中裂紋不斷擴(kuò)展，一部分微裂紋貫穿表面，造成局部剝落；另一部分微裂紋與其它孔洞附近的微裂紋連接形成貫穿孔洞。此為形成剝落坑（表面剝落或貫穿孔洞）的主要原因。

　　4. 金相分析表明，剝落坑附近析出許多塊狀和棒狀碳化物，在晶界處有鏈狀碳化物。材料在高溫下長期使用時(shí)，數(shù)量較多的大尺寸碳化物會(huì)引起晶界脆化，這也是產(chǎn)生宏觀剝落坑的誘因之一。

參考文獻(xiàn)

[1]陳德和.鋼的缺陷[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1977.

[2]吳培遠(yuǎn),揚(yáng)武鳴,周振生等. 輔機(jī)零件失效及缺陷分析[M]. 北京:科學(xué)出版社, 1988.

[3]機(jī)械工業(yè)理化檢驗(yàn)人員培訓(xùn)和資格檢驗(yàn)委員會(huì). 金相檢驗(yàn)[M]. 上海:上?？茖W(xué)普及出版社, 2003.

[4]GB/T10561－2005.鋼中非金屬夾雜物含量的測定.