某制冷公司壓縮機熱交換用不銹鋼彎頭,使用10個月后出現開裂并發生氟利昂噴射泄露。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———彎頭成型機壓彎———再結晶退火。彎頭通過焊接連接兩直管,管內工作介質為氟利昂R22,流動速度較高,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生一定的振動。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比。


一、試驗方法


 首先對開裂不銹鋼彎頭進行宏觀分析,發現宏觀裂紋位于彎頭90度夾角的內側并沿圓周方向延長,裂紋總長約10mm左右。我們采用機械加壓方法將彎頭沿裂紋處折斷,并在掃描電鏡下觀察該斷面形貌。再從未經使用的彎管和開裂的彎管上分別切下一個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察。金相試樣經機械磨拋后再用4%的硝酸酒精溶液化學浸蝕,用光學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及晶界元素含量及其分布狀態。


二、試驗結果


 1. 裂紋和斷面形貌


  通過目視檢查發現,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,絕大部分斷面結構粗糙呈顆粒狀,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,經掃描電鏡高倍放大后觀察分析,該區域為斷裂源區,顯微開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。圖為裂紋向內壁擴展處的斷面特征,可以看到有明顯的疲勞輝紋,這說明裂紋是以準解理的方式擴展的,并在介質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裂彎頭的相同放大倍數的金相組織。經對比可以看出,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,使得位錯的運動更容易從而引起彎頭強度下降,脆性增加。


 3. 彎頭化學成分分析


  為查明裂縫不銹鋼彎頭的材料的化學成分,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及晶界元素分布狀態,其結果如圖所示: 銅含量為99.1.841%,符合要求,晶界未見有雜質偏聚等異?,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組成符合要求,也無晶界雜質偏聚現象。開裂不銹鋼彎頭的金相組織晶粒粗大,造成了彎頭材質的強度顯著下降,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程中,表面金屬的流動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,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,顯微裂紋優先在孿晶界面處形成,再由于壓縮機工作引起的振動,導致微觀下裂紋沿徑向呈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,使得彎頭強度降低,沖擊疲勞抗力較低;同時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使其變形均勻,提高表面質量,提高抗疲勞性;同時退火處理時退火溫度取再結晶溫度下限及縮短退火時間使晶粒細化;在焊接直銅管時,要采取冷卻方式冷卻彎管,防止焊接熱影響區過熱,以避免晶粒粗大。