12Cr13闸板断裂失效分析

来源:重庆文理学院作者:刘亮

闸板是泵和阀中的关键部件,12Cr13 闸板在中间通孔处被发现断裂。从化学成分、力学性能、金相和显微硬度等方面对此进行检验。结果表明,闸板材料的抗拉强度,屈服强度和冲击功不符合设计要求标准,合金层析出硬质相。由于基体材料与合金层材料线膨胀系数和弹性模量不相同,高速流体对闸板通孔的内压引起合金层存在张应力与合金层内残余应力叠加,导致裂纹并最终断裂。

闸板是泵和阀类机构中广泛使用的零件, 主要起开关通道的作用,在石油化工建设中被广泛应用。闸板的质量要求很高,既要耐磨损又要耐腐蚀,有些条件下还要求具有较好的耐热性。某公司生产的12Cr13 钢闸板结构如图1 所示,在现场使用一段时间后时发现密封不住, 拆开后发现闸板已经断裂。其加工制造流程为:锻造(始锻温度1200℃,终锻温度900℃)、热处理、粗加工。随后敷焊Ni60 合金粉,再精加工中间通孔,最后经精磨、研磨抛光后对产品成型。闸板断裂影响了现场作业, 给公司造成巨大经济损失,威胁生命财产安全。鉴于此,本文对断裂的原因进行了详细的分析。

1、检验与分析

1.1、宏观检验与断口分析

断裂的闸板如图1 所示。闸板断口未发现冲蚀现象,通孔四周也存在较多径向裂纹,这些裂纹都起源于通孔外壁,且有剥落现象。

闸板结构

图1 闸板结构

测量闸板敷焊合金层的厚度, 测量结果如表1所示。可看出,闸板敷焊合金层的厚度不均,最厚处1.08mm,最薄处0.44mm。

表1 闸板敷焊合金层厚度测量结果(mm)

闸板敷焊合金层厚度测量结果

用丙酮清洗断裂闸板, 闸板敷焊合金层都存在大量裂纹,分别如图3 所示。可看出,闸板敷焊合金层的裂纹都起源于通孔外壁。闸板通孔两侧截面积最小,所受拉应力最大,热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为这也正是闸板在这个位置断裂的原因。

断裂的闸板

图2 断裂的闸板

闸板表面敷焊合金层裂纹形貌

图3 闸板表面敷焊合金层裂纹形貌

闸板的断口形貌如图4 所示。可看出,闸板两侧断口起源于敷焊合金层近外壁处, 左侧断口为人字纹花样;右侧断口为河流花样,左下角倾斜面是裂纹扩展分叉引起的。

 闸板两侧断口形貌

图4 闸板两侧断口形貌

闸板底部断口形貌如图5 所示。可看出,闸板底部断口两侧敷焊合金层与内壁拐角处皆存在裂纹源,两裂纹源扩展相交处出现撕裂棱,扩展区为放射状花样,最终断裂区为河流花样。闸板外边缘存在较多剥落部位和裂纹,断面裂纹起源于侧面外部,因此断面无冲蚀现象。

 闸板底部断口形

图5 闸板底部断口形

闸板通孔两侧断裂后, 高速流体对两断裂端存在较大的向外压应力,通孔底部外侧为压应力状态,虽存在纵向裂纹,但不会扩展。通孔底部内侧为拉应力状态, 但靠近内侧的敷焊合金层并不存在纵向裂纹,只能在界面结合较薄弱处形成裂纹源。

1.2、化学成分分析

闸板基体材料的化学成分如表2 所示, 符合技术要求。

表2 12Cr13 基体化学成分分析结果(质量分数,%)

12Cr13 基体化学成分分析结果

1.3、力学性能试验

依据APISPEC6A 规定, 在断裂闸板的底部和上半部位置处分别取样进行力学性能试验。拉伸试验采用纵向棒状试样, 冲击试验采用纵向夏比冲击试样。试验结果如表3 所示。分别对敷焊合金层和基体进行硬度试验,试验结果如表4 所示。试验结果表明该闸板材料的抗拉强度、屈服强度和冲击值(单个≥13J)均不符合要求,伸长率、断面收缩率和硬度均符合要求。

表3 拉伸和冲击性能试验结果

拉伸和冲击性能试验结果

表4 硬度试验结果

硬度试验结果

1.4、显微组织分析

在断口附近切取金相试样进行组织分析。闸板敷焊合金层、界面及基体金相组织如图6 所示,敷焊合金层显微组织为镍基固溶体和硬质相; 界面处为一条白亮带, 这一白亮带是敷焊合金层与基体组织相互扩散的结果,在白亮带内存在气孔;基体显微组织为回火索氏体。

在扫描电子显微镜下观察Ni60 敷焊合金层的金相组织,如图7 所示。可看出,Ni60 敷焊合金层镍基固溶体中存在较多析出相。

1.5、断口形貌微观分析

闸板两侧断口上取样分析断口微观形貌, 如图8 所示。可看出,裂纹起源于敷焊合金层,源区存在许多小刻面,扩展区为沿晶特征,最终断裂区为解理特征。

敷焊合金层和基体界面金相组织

图6 敷焊合金层和基体界面金相组织

Ni60 敷焊合金层金相组织形貌

图7 Ni60 敷焊合金层金相组织形貌

闸板通孔侧端断口形貌

图8 闸板通孔侧端断口形貌

在闸板底部断口上取样分析断口微观形貌,如图9 所示。可看出,裂纹起源于敷焊合金层,最终断裂区为河流花样。高倍下观察发现裂纹起源于界面裂纹,为沿晶特征,界面存在缩孔,敷焊合金层内存在约50 气孔,最终断裂区为解理特征。图9 闸板底部断口形貌

2、分析与讨论

根据上述试验结果, 发现所有裂纹起源于闸板表面的Ni60 敷焊合金层,采用金相和扫描电镜手段对裂纹性质进行分析, 判定闸板断口断裂机理为脆性断裂。现结合试验结果对裂纹形成原因进行分析,其过程如下:

(1) 经力学性能试验, 发现该闸板材料的抗拉强度、屈服强度和纵向冲击功均不符合标准要求。说明该闸板的强度和断裂韧性均较低。

(2) 在喷涂过程中,喷涂材料的性能、喷涂工艺参数以及敷焊合金层材料与基体材料的线膨胀系数和弹性模量等参数的不同,会造成残余应力的大量存在。残余应力对敷焊合金层的厚度、质量以及敷焊合金层构件精度、尺寸稳定性等方面有很大影响,是导致敷焊合金层开裂、剥落等失效形式的主要原因之一。

喷涂过程中,熔融的颗粒喷向基体表面时,在冲击力的作用下,迅速扩展为层状结构,后续的喷涂材料不断叠加形成叠层结构,在层状结构的界面处,存在大量的微观缺陷。熔滴的快速凝固,导致冷却过程中在层状结构内部形成较大拉伸状态的淬火残余应力。当敷焊合金层由高温冷却到常温时, 敷焊合金层与基体线膨胀系数的不同产生较大的失配应力,即热应力。Ni60 敷焊合金层和12Cr13 基体的线膨

胀系数是有一定差异的,如图10 所示。由于Ni60 敷焊合金层的线膨胀系数较大, 当敷焊合金层由高温冷却到常温时,敷焊合金层会较基体快速收缩,敷焊合金层内会产生一定的拉应力。喷涂后保温可以通过蠕变降低敷焊合金层的残余应力。

Ni60 敷焊合金层和12Cr13 基体的线膨胀系数

图10 Ni60 敷焊合金层和12Cr13 基体的线膨胀系数

速流体对闸板通孔的内压引起合金层存在张应力,与合金层内残余应力叠加, 在硬质相和微观缺陷部位产生应力集中,导致敷焊合金层产生了裂纹。基体材料的冲击韧性较低,其临界裂纹扩展阻力较小,裂纹扩展至合金层与基体界面易于贯穿到基体内,引起闸板断裂。

(5) 热处理工艺不当导致合金层组织存在较多析出硬质相,应改进热处理工艺

3、结论

(1) 断裂闸板的抗拉强度、屈服强度和冲击功均不符合技术要求。

(2) 断裂闸板敷焊合金层组织存在较多硬质相, 界面附近存在气孔和缩孔, 引起合金层出现裂纹,基体材料冲击韧性较低,这些裂纹贯穿到基体内部发生断裂。