阀杆用x6crnicu17―04钢棒断裂失效原因分析

-精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 1 阀杆用 X6CrNiCu1704 钢棒断裂失 效原因分析 【摘 要】某核电机组按 RCC- M（2000 版+2002 补遗）采购的 X6CrNiCu17-04 阀杆在安装试验过程中， 阀杆均发生了断裂。对断裂阀杆，进行 化学成分、室温拉伸、0冲击试验和 硬度复试、断口形貌和金相组织分析， 结果表明断裂呈沿晶脆性断裂模式，室 温拉伸和冲击试验结果均不满足规定要 求。产生该问题的根本原因是由于 RCC-M 英文版的 M5110 在 2000 版至 2007 版及期间的补遗，均将该合金中的 化学元素“铌 ”错写为“钒”，直至 2012 版 才进行了修正；由于化学成分错误，导 致各项力学性能均不能满足设计要求。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 2 中国论文网 /8/view-12933191.htm 【关键词】X6CrNiCu17- 04；RCC-M；脆性断裂 中图分类号： TG142.15；TK268 文献标识码： A 文 章编号： 2095-2457（2018 ）03-0150- 003 Failure Analysis of Fracture of X6CrNiCu17-04 Steel Rod for Stem LEI Xin JIAO Shao-yang WANG Xi （China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100840， China） 【Abstract】The stem of X6CrNiCu17-04 purchased by a nuclear power plant according to RCC-M （Addendum of 2000 edition +2002） has been fractured during the installation test. The fracture stem， chemical composition， tensile at room -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 3 temperature， 0 impact test and hardness retest， fracture morphology and microstructure analysis showed that the fracture was along the crystal brittle fracture mode， room temperature tensile and impact test results are not satisfied Prescribed requirements. The root cause of this problem is that the RCC-M English version of the M5110 in the 2000 edition to the 2007 edition and during the addendum， the alloy of the chemical element “niobium” is wrongly written as “vanadium” until 2012 version was carried out Due to the chemical composition error， resulting in the mechanical properties can not meet the design requirements. 【Key words】X6CrNiCu17-04； RCC-M； Brittle fracture 0 引言 某核机组阀门中的阀杆在安装 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 4 调试过程中，使用同一批材料的 4 台阀 门中的直径为 150mm 的 X6CrNiCu17- 04 阀杆均发生了断裂，如图 1 所示。 阀杆用棒材为按 RCC-M（2000 版+2002 补遗）1M5110 生产制造的 X6CrNiCu17-04，化学成分如表 1 所示； 可以看出实测化学成分满足标准规定值。 根据 M5110 的规定，阀杆应热 处理应满足下述要求：10201060 固溶热处理，然后空冷或油冷到 30或 更低；然后在 595620保温（时效 硬化）4h，后空冷。实际的热处理条件 为：固溶温度是 1040，固溶保温时间 2h，然后油冷至 26；时效热处理时， 时效温度为 620，保温 4h，然后空冷。 据此可以看出热处理过程也完全满足规 范要求。 1 力学性能复验 表 2 给出了室温拉伸和冲击试验 的规定值和复验实测值，可以看出除室 温拉伸的抗拉强度满足规定值以外，其 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 5 他结果均不满足规定要求，尤其是冲击 值明显较低。 沿半径方向从边缘向中心位置按 GB/T 4340 进行维氏硬度（HV）测试2， 如图 2 所示，测试条件为载荷 300gf， 保载时间 15s。对测得的 HV 值，根据 GB/T 1172-1999 转换为布氏硬度 （HBW ） ，具体结果如图 3 所示。根据 RCC-M M5110 的要求， X6CrNiCu17- 04 在经过固溶处理+时效硬化后，其硬 度值应大于等于 302HBW，据此可以看 出硬度检测结果满足规定要求。 2 断口形貌及金相组织分析 2.1 断口形貌分析 对断口区域，利用 S-3400 型电 子扫描电镜（SEM ， scanning electron microscope）对 T 型断口进行微观观察 分析。首先对起裂位置 S2 处附近的断 口形貌进行了观察分析，如图 2。经过 仔细观察后，在亚表面发现了裂纹源， 经放大观察为沿晶断裂特征。 2.2 基体金相组织分析 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 6 在靠近断口区域，截取试样进行 金相观察。材料经打磨、抛光后，使用 10mlHF+5mlHNO3+15mlHCL+70ml 蒸 馏水溶液腐蚀，时间约 10min。其结果 如图 3 所示，图 3（a ）为靠近表面金相 组织，能明显看出明显的晶界，这表明 存在较多的残余奥氏体，同时晶粒内存 在粗大的板条状马氏体和少量铁素体； 图 3（b）为心部组织，可以看出该组织 为正常的马氏体组织。研究表明3-4想 要获得高的冲击韧性，金相组织应为不 含 铁素体的低碳回火马氏体组织，粗 大的晶粒以及当组织中含 铁素体时， 会明显降低冲击试验结果值，由于靠近 表明区域的较大晶粒及其中存在的 铁 素体，导致冲击韧性结果较差，和表 2 结果相吻合。 3 原因分析 3.1 合金元素的影响5 在不锈钢的合金元素中，铬是最 重要的元素。由于铬形成的致密、稳定 的 Cr2O3 薄膜的保护，阻止了介质对基 体的继续渗入腐蚀。研究表明 Cr 含量 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 7 超过 11.7%（对应 Cr 原子与铁原子之 比为 1/8）时，可明显提高铁基体的电 极电位，并具有明显的耐蚀性。 镍不仅是优良的耐腐蚀材料，而 且可以增加镍当量，扩大奥氏体区间， 使得不锈钢在含较多铬时，可以通过加 入适当镍使不锈钢在固溶热处理后得到 马氏体组织；如果进一步提高镍到 8% 左右（如广泛使用的 18-8 奥氏体不锈 钢） ，即可获得单相的奥氏体组织。 铜在沉淀硬化不锈钢中，因时效 处理析出富铜的强化相而使钢强化；但 铜含量过高时对韧性有影响，常控制铜 含量不超过 3.5%。 铌是强烈形成碳化物的元素，比 铬更容易形成碳化物。钢中加入部分， 就会使钢中的铬能尽量稳定地存在于固 溶体中，使固溶体中有足以保证耐蚀性 能的铬含量，并可避免晶间存在贫铬区， 从而可有效防止晶间腐蚀。加入铌也可 以在时效期间起到沉淀硬化的作用，并 阻碍时效时组织的晶粒长大倾向。 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 8 钒在不锈钢中的作用是增强淬透 性和形成碳化物，并且能耐高温，有强 烈的二次硬化作用，对提高硬度有显著 作用；并且能够细化晶粒，稳定尺寸， 一般常用于合金刀具钢中。 3.2 热处理制度的影响 X6CrNiCu17-04 的热处理制度为 固溶+时效硬化。固溶加热时应保证钢 中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中， 但也不宜过高，因为（1）过高的加热 温度不仅会引起晶粒粗大，还会使马氏 体转变点太低，致使固溶完成后产生较 多的残余奥氏体；（2）过高的加热温 度还可能使固溶组织中存在较多含量的 铁素体。固溶处理后的金相组织应为含 有过饱和铜的低碳板条状马氏体组织， 有时可能存在少量残留奥氏体和铁素体。 时效热处理是为了时效析出富铜相，以 提高其硬度和强度，一般在 480左右 可获得最高的硬度和强度；随着时效温 度的升高，硬度和强度下降，塑性和韧 性提高。为了保证沉淀相的充分析出和 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 9 时效效果，时效的保温时间一般不少于 4h。 3.3 执行标准差异 作为马氏体沉淀硬化不锈钢， X6CrNiCu17-04 的合金成分中，除铬、 镍、铜外，应含有 0.150.45%的铌， 而钒作为提高淬透性和硬度作用的合金 元素，不应加入，如 GB/T 1220 中对应 的 05Cr17Ni4Cu4Nb，其 Nb 含量要求 为 0.150.45%。 在 RCC-M 英文版 2000 版和 2007 版，以及其间 2002 补遗和 2005 补 遗的 M5110 中，对于 X6CrNiCu17- 04，均将化学成分铌错误的写为钒；在 RCC-M 2012 英文版中，才将该错误纠 正为含钒。 据此可以得知，阀杆钢棒断裂失 效的最根本原因是由于制造厂在严格按 照 RCC-M 标准采购钢棒时，因为标准 错误，而导致该类钢中本应该含铌，却 变成了含钒。由于钒具有强烈的淬透和 二次硬化作用，导致钢棒的硬度远大于 -精选财经经济类资料- -最新财经经济资料-感谢阅读- 10 规定值（如图 3） ，同时冲击值明显小于 规定值（如表 2） 。 由于铌的缺失，钢中未能形成碳 化铌，且由于钢棒表面温度较高，使得 表面金相组织中晶粒明显长大；同时粗 大的晶粒会使马氏体转变点变低，致使 热处理完成后，除马氏体外，还包含少 量残余奥氏体和铁素体。由于心部温度 相对较低，形成了均匀的马氏