某制冷公司压缩机热交换用不锈钢弯头,使用10个月后出现开裂并发生氟利昂喷射泄露。该不锈钢弯头为C10800无氧脱磷铜,其加工工艺为:热挤压管坯———冷拔———弯头成型机压弯———再结晶退火。弯头通过焊接连接两直管,管内工作介质为氟利昂R22,流动速度较高,温度范围-30℃～-40℃。在管路上距弯头0.1.5mm处设有固定支座,在管路上每1.1.5m～2.1.0m也设有固定支座。使用中压缩机工作对不锈钢换热管产生一定的振动。为配合分析,厂家提供了该种不锈钢管件未使用的弯头一件以作对比。
一、试验方法
首先对开裂不锈钢弯头进行宏观分析,发现宏观裂纹位于弯头90度夹角的内侧并沿圆周方向延长,裂纹总长约10mm左右。我们采用机械加压方法将弯头沿裂纹处折断,并在扫描电镜下观察该断面形貌。再从未经使用的弯管和开裂的弯管上分别切下一个试样用于金相对比分析。切割后的断口试样先用水清洗后,再用丙酮清洗并干燥后待观察。金相试样经机械磨抛后再用4%的硝酸酒精溶液化学浸蚀,用光学金相显微镜观察其显微组织。最后用扫描电镜和电子探针X.2射线能谱定量分析仪检查了开裂弯头的晶内及晶界元素含量及其分布状态。
二、试验结果
1. 裂纹和断面形貌
通过目视检查发现,有一条裂纹位于不锈钢弯头90度夹角内靠左侧,沿管壁圆周方向近似直线状延伸,长约10mm。弯管沿裂纹处折断后的断口低倍扫描电镜照片如图所示，断口平齐,壁厚无明显减薄,没有明显的塑性变形迹象,绝大部分断面结构粗糙呈颗粒状,边缘无明显剪切唇,也无纤维状和放射状特征。图所示不锈钢弯头外表面有小凹坑,经扫描电镜高倍放大后观察分析,该区域为断裂源区,显微开裂从外壁向内壁大致呈Z字形扩展。裂纹源区整体上显示出冰糖状沿晶界脆性开裂形貌,但还能看到较大面积的穿晶裂纹,无塑性变形特征。图为裂纹向内壁扩展处的断面特征,可以看到有明显的疲劳辉纹,这说明裂纹是以准解理的方式扩展的,并在介质的冲击下在断面上形成了细密的疲劳辉纹。
2. 显微组织
图为使用正常不锈钢弯头和开裂弯头的相同放大倍数的金相组织。经对比可以看出,未使用新弯头的α2Cu单相组织较细密均匀的单相孪晶组织,其晶粒尺寸较大,孪晶界面随晶粒长大而变宽增厚,这种大块孪晶组织能改变晶体位向,使得位错的运动更容易从而引起弯头强度下降,脆性增加。
3. 弯头化学成分分析
为查明裂缝不锈钢弯头的材料的化学成分,分别用扫描电镜能谱分析及电子探针X射线能谱定量分析检查了开裂弯头的晶内及晶界元素分布状态,其结果如图所示: 铜含量为99.1.841%,符合要求,晶界未见有杂质偏聚等异常现象。
三、分析与讨论
从以上检测分析结果可以看出,热交换用不锈钢弯头的化学组成符合要求,也无晶界杂质偏聚现象。开裂不锈钢弯头的金相组织晶粒粗大,造成了弯头材质的强度显著下降,脆性增大。图所示裂纹源区的表面凹坑,是在冷加工的变形过程中,表面金属的流动受到模具内壁的机械阻碍局部不均匀而形成的。这些凹坑属于表面缺陷,容易出现三向应力区而造成局部应力集中并导致显微裂纹萌生。不锈钢弯头在使用时,弯头转角处冲击力较大,应力集中系数大,而且弯头组织中孪晶界面能较高,显微裂纹优先在孪晶界面处形成,再由于压缩机工作引起的振动,导致微观下裂纹沿径向呈Z字形疲劳扩展,最终导致裂纹处液体泄露。
四、结论和建议
1. 不锈钢弯头的开裂属于伴有穿晶撕裂的脆性沿晶开裂。
2. 不锈钢弯头组织中晶粒粗大,使得弯头强度降低,冲击疲劳抗力较低;同时宽而厚的孪晶界面使得弯头凹坑缺陷处萌生的裂纹容易沿孪晶界扩展并最终穿透是工程弯头失效的主要原因。
3. 建议在不锈钢弯头冷加工时使其变形均匀,提高表面质量,提高抗疲劳性;同时退火处理时退火温度取再结晶温度下限及缩短退火时间使晶粒细化;在焊接直铜管时,要采取冷却方式冷却弯管,防止焊接热影响区过热,以避免晶粒粗大。
