一起奧氏體不銹鋼封頭開裂的分析

摘 要：奧氏體不銹鋼在亞穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行加工成型過(guò)程中會(huì)由奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變，馬氏體相的存在會(huì)促使材料電化學(xué)和耐腐蝕性的改變，容易產(chǎn)生腐蝕，由于腐蝕進(jìn)而發(fā)展到應(yīng)力腐蝕開裂。

關(guān)鍵詞：奧氏體不銹鋼；馬氏體；應(yīng)力腐蝕開裂

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.043

1 基本情況

在對(duì)我市某化工有限公司一臺(tái)自動(dòng)加壓鍋進(jìn)行檢驗(yàn)過(guò)程中，經(jīng)滲透探傷發(fā)現(xiàn)該設(shè)備下封頭處存在多處裂紋，該設(shè)備為無(wú)錫力馬化工機(jī)械有限公司生產(chǎn)于2003年3月，期間一直未投入使用，2011年5月移裝至我市某化工有限公司投入使用，該設(shè)備為304不銹鋼材料厚10mm，使用壓力0.25MPa，使用溫度138℃，介質(zhì)為8%硝化棉、水蒸汽、水。

經(jīng)檢測(cè)發(fā)現(xiàn)下橢圓封頭過(guò)渡段發(fā)生多處開裂（見圖1），現(xiàn)場(chǎng)用磁鐵對(duì)該設(shè)備進(jìn)行鐵磁性檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)該設(shè)備下封頭處具有極強(qiáng)的鐵磁性，筒體和上封頭側(cè)無(wú)磁性。奧氏體不銹是一種無(wú)磁性的材料，經(jīng)了解該設(shè)備封頭冷旋壓成型，未經(jīng)固溶處理。GB/T25198-2010規(guī)定冷成型的奧氏體不銹鋼制半球形封頭、橢圓封頭、碟形封頭以及平底封頭，成型后可不進(jìn)行熱處理。

2 分析

304不銹鋼是一種常溫下具有奧氏體組織的不銹鋼，其鋼中含Cr約18%、Ni 8%～10%、C約0.1%時(shí)，具有穩(wěn)定的奧氏體組織。奧氏體鉻鎳不銹鋼包括著名的18Cr-8Ni鋼和在此基礎(chǔ)上增加Cr、Ni含量并加入Mo、Cu、Si、Nb、Ti等元素發(fā)展起來(lái)的高Cr-Ni系列鋼。奧氏體不銹鋼無(wú)磁性而且具有高韌性和塑性，但強(qiáng)度較低，不可能通過(guò)相變使之強(qiáng)化，僅能通過(guò)冷加工進(jìn)行強(qiáng)化，如加入S，Ca，Se，Te等元素，則具有良好的易切削性。

冷旋壓封頭成形是利用兩模具的擠壓作用，在旋壓輪和成形輥之間，毛坯產(chǎn)生局部的塑性變形。該變形以螺旋形方式從中心向邊緣“流動(dòng)”，使鋼板產(chǎn)生連續(xù)彎曲變形。毛坯的外側(cè)金屬縱向纖維受拉而伸長(zhǎng)，靠近成形輥一側(cè)金屬縱向纖維受壓而縮短。隨著向板坯中心的靠近，伸長(zhǎng)和縮短的程度逐漸減小。在板坯上畫上等間距的同心圓和徑向線，在旋制過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，靠近旋壓輥一側(cè)的毛坯外側(cè)徑向輻射線的網(wǎng)格被拉長(zhǎng)了，而內(nèi)側(cè)網(wǎng)格變化不明顯。

304不銹鋼是一種耐蝕性很好的材料，但使用中經(jīng)常發(fā)生開裂、孔蝕等嚴(yán)重的缺陷。經(jīng)查閱相關(guān)資料發(fā)現(xiàn)許多研究者在這一方面進(jìn)行了大量的研究工作，發(fā)現(xiàn)奧氏體不銹鋼在亞穩(wěn)定狀態(tài)，進(jìn)行加工成型過(guò)程中會(huì)由奧氏體相向馬氏體相轉(zhuǎn)變，如冷旋壓封頭等加工過(guò)程，會(huì)發(fā)生形變誘發(fā)馬氏體相轉(zhuǎn)變，焊接和其他熱加工會(huì)造成晶界貧鉻，促使馬氏體相的生成，在氫介質(zhì)中，會(huì)發(fā)生氫致馬氏體相變。馬氏體相的存在會(huì)促使材料電化學(xué)和耐腐蝕性的改變，容易產(chǎn)生腐蝕，由于腐蝕進(jìn)而發(fā)展到應(yīng)力腐蝕開裂。

馬氏體轉(zhuǎn)變屬于低溫轉(zhuǎn)變，轉(zhuǎn)變產(chǎn)物與馬氏體。馬氏體具有很高的硬度和強(qiáng)度，由于馬氏體轉(zhuǎn)變是在較低溫度下進(jìn)行的，此時(shí)，奧氏體不銹鋼中的原子不能進(jìn)行擴(kuò)散。有研究表明在室溫下（23℃），變形量小于10%，304不銹鋼僅有少量有馬氏體相變，當(dāng)變形量在10%-40%時(shí)，馬氏體相會(huì)由0.7%增加到6%以上。當(dāng)變形量大于60%以上時(shí)，材料發(fā)生馬氏體相變的同時(shí)，另一個(gè)微觀變化就是錯(cuò)位的增加（見圖2），當(dāng)發(fā)生大量位錯(cuò)的糾纏時(shí)，由于材料的變形量越大，位錯(cuò)密度增大，首先位錯(cuò)增值在材料內(nèi)產(chǎn)生很高的應(yīng)力，使材料的自由能增大，促成的馬氏體相變的形核，進(jìn)而發(fā)生馬氏體相的轉(zhuǎn)變。由于面心立方的奧氏體是順磁性材料，穩(wěn)定化的奧氏體是無(wú)磁性的，當(dāng)轉(zhuǎn)變?yōu)轶w心立方馬氏相時(shí)是鐵磁性的，隨著材料的微觀組織發(fā)生的變化，奧氏體304不銹鋼由無(wú)磁性材料變成了有磁性材料，由于馬氏體的增加304不銹鋼的磁性逐漸增強(qiáng)。另外由于位錯(cuò)的增加也相應(yīng)的造成了材料的應(yīng)力集中，應(yīng)力的集中又進(jìn)一步促進(jìn)了馬氏體的形成，應(yīng)力集中程度越大，馬氏體相變量越多，材料表面的磁場(chǎng)波幅值越高，利用磁鐵可以方便快捷的檢測(cè)出奧氏體304不銹鋼材料的馬氏體變化。

3 總結(jié)

面心立方的奧氏體是不帶磁的，馬氏體的出現(xiàn)使旋壓封頭機(jī)械性能迅速惡化，在多次應(yīng)變的作用下，強(qiáng)度、硬度增加，塑性降低。這是多次應(yīng)變使馬氏體產(chǎn)生數(shù)量增多的緣故。由于馬氏體與奧氏體組織共存，奧氏體是面心立方結(jié)構(gòu)（fcc），一個(gè)晶胞含有4個(gè)原子，致密度比較大，而馬氏體是體心立方結(jié)構(gòu)（bcc），一個(gè)晶胞含有2個(gè)原子，致密度小，因而馬氏體的比容比奧氏體大，所以?shī)W氏體轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體是一個(gè)體積膨脹的過(guò)程。再由于奧氏體和馬氏體延伸率不同，極易導(dǎo)致局部高應(yīng)力區(qū)如加工應(yīng)力、焊接殘余應(yīng)力等，高應(yīng)力的區(qū)域形成顯微裂紋，在設(shè)備載荷的作用下裂紋不斷擴(kuò)展導(dǎo)致設(shè)備最終的開裂、泄漏，對(duì)人身、設(shè)備和經(jīng)濟(jì)造成很大的損傷、損失。

作者簡(jiǎn)介：徐丹輝（1985-），男，河南淇縣人，本科，助理工程師，研究方向：特種設(shè)備使用管理。endprint