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摘 要：采用光学显微镜、扫描电镜、光谱仪、硬度测试、拉伸和冲击试验，对断裂阀杆的断口形貌、组织结构、化学成分、拉伸性能及断裂韧性进行分析。结果表明：阀杆实际使用材料与设计标准不一致，且晶粒粗大；断裂为沿晶脆性断裂，断裂的根本原因是阀杆凹槽直角过渡处应力集中以及阀杆材料的塑性和韧性不足。
关键字：阀杆 断裂韧性 脆性断裂 应力集中
机械设备和部件受设计、制造、运行环境等因素影响，在使用过程中将发生不同程度的老化降质、材料变形、损伤、甚至断裂破坏等失效。材料失效分析作为预测预防重复失效的有效途径，是机械设备长期安全有效运行的重要保障，在航空、船舶、石油、电力等领域得到广泛应用。断裂失效是材料失效的最严重形式，轻则造成机械设备无法使用，影响正常工作；重则导致设备损毁，甚至酿成安全事故。
某核电厂在现场调试冲洗过程中，某国产流量调节阀旁路阀阀杆发生断裂，导致泵机憋泵，对设备安全和调试进度造成了影响。该阀门正常工作期间承担回路高压差和大流量，阀杆的凹槽下断面在阀门开启瞬间会受到流体介质的冲击力作用，在正常运行时会受到介质的拉应力作用。阀杆断裂多发生于阀杆变径处，主要由应力集中、振动和局部腐蚀导致。目前，断裂失效分析主要采用化学成分鉴定材质和金相显微镜和高分辨率、高景深的扫描电子显微镜对断口形貌及组织结构进行分析。文中根据断裂阀杆的结构特征，主要从阀杆材料的宏观微观结构、化学成分、机械性能等方面进行了综合分析，以期能找出阀杆断裂原因，防止类似事件重复发生，提高阀门使用寿命和设备可靠性。
1 实验
1.1 断口宏观分析
通过断口形貌分析可判断阀杆的断裂模式。断裂阀杆的宏观特征形貌如图1。由图1a）可见，断口比较平直，阀杆断于与对开圆环连接槽的90°变径处，阀杆直径55mm，凹槽直径45mm，凹槽为直角过渡，容易产生应力集中。表明，阀杆在直角过渡处极易发生应力集中引发断裂。从图1b）断口宏观形貌可见，断口端面呈颗粒状，平整光亮，塑性变形区小，断裂起源于阀杆凹槽直角根部。在阀杆变径处未断部位（图1c））存在两条环向裂纹（其中上、下端面各一条），裂纹走向与阀杆裂纹方向一致，裂纹最大宽度约250μm。
图1 断裂阀杆宏观图
1.2 断口微观分析
如图1b），阀杆断面分为3个区域，其中区域1为断裂起始区，区域2为最后断裂区，区域3为撕裂区。利用扫描电镜对断口进行微观分析，如图2。从图中可以看出，断裂起始区和最后断裂区晶粒内部较为平齐，断口中存在较多沿晶的二次裂纹，为沿晶脆性断口；撕裂区表面有挤磨痕迹，在未挤磨处可看出为沿晶脆断。微观形貌还可看出阀杆材料的晶粒粗大，呈现热处理过热特征。
图2 微观断口形貌
在阀杆凹槽未断部位环向裂纹处（图1c））将断口切开，进行微观裂纹分析，如图3。从图中可以看出，裂纹长度达到3mm，裂纹起源于阀杆凹槽根部的直角过渡处，这与断口的宏观分析结果一致。
1.3 阀杆成分分析
采用光谱仪对阀杆进行化学成分分析，在阀杆上钻屑取样，重量约10g，取样前先用砂轮打磨掉试样表面的氧化物等杂质．成分分析按照《GB/T20123－2006钢铁总碳硫含量的测定高频感应炉燃烧后红外线吸收法》和《CSM07039401－2003合金钢－锰、磷、铬、镍、钼、铜、钒、钴、钛、铝含量的测定－电感耦合等离子体发射光谱法》测定。
阀杆成分分析结果如表1。由表可知，断裂阀杆材料中的碳含量为0.209%，超出ASTMA182上限值0.15%，可判断阀杆中碳含量超标，成分不合格。对比发现，阀杆材料实测结果相当于国内牌号2Cr13（ASTMA182标准中无2Cr13对应牌号），阀杆设计资料要求的材料为A182F6a（相当于国内牌号1Cr13），阀杆中碳含量增加将降低材料的塑性和韧性，增加脆性，提高材料硬度，形成碳化物组织，使抗冲击性能降低。
1.4 阀杆金相分析
通过金相观察，从材料的组织结构分析阀杆断裂失效的原因。从阀杆横截面取3个样品用于阀杆金相分析，取样位置分别为阀杆外边缘处、1/2半径处和心部（编号依次为J1，J2，J3），金相检验参照《GB/T13299－1991金属显微组织检验方法》和《GB/T6394－2002金属平均晶粒度测定法》进行测定，金相照片如图4。由图可见，金相组织均为保留马氏体位向的回火索氏体+沿晶碳化物。3个样品的原奥氏体晶粒均粗大（这与断口分析结果一致），达到120μm，晶粒度达到2～3级。表明阀杆在制造过程中，淬火温度偏高，造成组织过热。利用扫描电镜对金相样品的原奥氏体晶界碳化物进行分析，如图5。由图可见，沿晶碳化物呈连续分布（近网状）。
图4 金相照片
1.5 阀杆硬度分析
沿断裂阀杆横截面取3个样品用于硬度分析，每个样品测试3个位置，取平均值。硬度试验参照《GB/T231.1－2009金属材料布氏硬度试验第1部分试验方法》进行测定。硬度检验结果表明，断裂阀杆从表面到心部各位置的硬度值基本相同，平均值为236.5HBW，高于国家标准《GB1220－2007不锈钢钢棒》要求的159HBW，符合设计要求。
1.6 阀杆拉伸性能分析
在阀杆外表面到中心的中间位置沿阀杆轴向取样进行拉伸性能分析，取3个试样（分别编号为L1，L2，L3）。拉伸试验参照《GB/T228.1－2010金属材料拉伸试验第1部分：室温试验方法》进行。
拉伸试验结果如表2。数据显示，阀杆的平均拉伸强度和平均屈服强度分别高达746MPa和597MPa，但是平均断后伸长率和平均断面收缩率分别为21.7%和54.8%，比标准要求下限值低，不满足《GB1220－2007不锈钢钢棒》标准要求，表明阀杆材料塑性指标不合格。
1.7 阀杆冲击性能分析
在阀杆外表面到中心的中间位置沿阀杆轴向取样进行冲击性能分析，为保证实验结果的准确性，取3个试样（编号为C1，C2，C3）。冲击试验参照《GB/T229－2007金属材料夏比摆锤冲击试验方法》进行测定。阀杆冲击试验结果如表3。阀杆材料的冲击功Aku2均值为57J，低于《GB1220－2007不锈钢钢棒》标准下限值78J。这表明阀杆材料的韧性较差，材料不合格。
1.8 拉伸及冲击断口形貌分析
利用扫描电镜对拉伸及冲击试验后样品断口进行微观分析，如图6。由图可知，拉伸及冲击试验的断口均为典型沿晶脆断断口，并且断口存在较多二次裂纹，冲击试验断口与阀杆原始断口完全一致。
a）拉伸试验
图6 断口形貌
2 结论
阀杆为脆性沿晶断裂，凹槽裂纹起源于直角过渡处，阀杆实际使用材料与设计标准不一致，阀杆材料晶粒粗大且碳化物沿网状分布，导致拉伸性能和冲击性能不满足标准要求。阀杆发生断裂的根本原因是阀杆凹槽直角过渡处应力集中和阀杆材料的韧性不足。
建议合理选择阀杆材料；优化产品结构形式，避免局部应力集中；控制热处理工艺，提高阀杆塑性和冲击韧性，增强阀杆抗振能力；同时加强监造、检验和验收环节，提高阀门可靠性和使用寿命。
来源：网络转载
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发表于 2016-10-25 11:43:33
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