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嘉峪檢測網(wǎng) 2019-03-04 22:28
耐熱鑄鐵是指可以在高溫下使用，其抗氧化或抗生長性能符合使用要求的鑄鐵。其中，“生長”是指由于氧化性氣體沿石墨邊界和裂紋滲入鑄鐵內(nèi)部造成的氧化，以及因Fe3C分解發(fā)生石墨化而引起鑄件的體積膨脹。
耐熱鑄鐵主要有硅系耐熱鑄鐵、鉻系耐熱鑄鐵、鋁系耐熱鑄鐵、多元合金耐熱鑄鐵、鎳系耐熱鑄鐵等，主要用于制造鍋爐及其附件、排氣支管、渦輪機殼體等。
某單位排氣支管采用QTRSi4Mo耐熱鑄鐵一體鑄造成型，該排氣支管與其余零件通過螺栓連接。排氣支管內(nèi)介質(zhì)為高溫燃氣，高負荷時最高溫度可達到650℃左右，外部為大氣，該排氣支管在運行約2000h時后發(fā)現(xiàn)開裂，如圖1所示。
圖1 開裂排氣支管宏觀形貌
本文將對開裂的排氣支管解剖取樣進行檢驗和分析，以查明其開裂原因，從而采取措施避免類似失效的再發(fā)生。
理化檢驗
1
宏觀檢查
對開裂排氣支管進行宏觀檢查，表面能觀察到一條裂紋并且裂紋擴展很深，幾乎貫穿試樣，排氣支管開裂處宏觀形貌如圖2所示。
圖2 排氣支管裂紋宏觀形貌
人工打開開裂處形成斷口試樣，如圖3所示，斷裂面下部為人工打開區(qū)域，呈新鮮金屬色，靠近表面的上部區(qū)域存在灰色氧化皮，其上有紅褐色銹跡，斷裂面無明顯塑性變形，具有脆性斷裂特征。
圖3 斷口宏觀形貌
2
化學(xué)成分分析
在開裂排氣支管上取樣進行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。
表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))
可見各元素含量均符合GB/T 9437－2009對QTRSi4Mo耐熱鑄鐵成分的技術(shù)要求。
3
力學(xué)性能試驗
在開裂排氣支管上截取拉伸試樣，試驗結(jié)果見表2。
表2 力學(xué)性能試驗結(jié)果
可見排氣支管材料的室溫及高溫(700℃)抗拉強度均低于GB/T 9437－2009對QTRSi4Mo耐熱鑄鐵的技術(shù)要求。考慮到測試試樣已在高溫下服役過，并且斷在缺陷處，如圖4所示，故該試驗結(jié)果僅供參考。
圖4 拉伸斷口宏觀形貌
4
斷口掃描電鏡分析
將圖3中的斷口試樣置于掃描電子顯微鏡(SEM)內(nèi)觀察。
圖5 斷口SEM形貌
由圖5a)可見，斷裂面靠近外表面區(qū)域有嚴重的氧化覆蓋情況，并且可見較多的疏松孔洞；由圖5b)可見，人工打開區(qū)域斷口呈準解理特征。
5
金相分析
截取垂直于開裂面的剖面試樣，鑲嵌、磨拋后置于光學(xué)顯微鏡下觀察。
圖6 斷裂源處拋光態(tài)形貌
試樣剖面拋光態(tài)形貌見圖6a)，可見存在嚴重的疏松缺陷；斷裂面上可見氧化物覆蓋層，見圖6b)。
圖7 基體石墨形態(tài)及顯微組織形貌
基體石墨形態(tài)見圖7a)，按GB/T 9441－2009評定石墨球化率為70％，石墨大小級別為6級；基體顯微組織為鐵素體＋珠光體＋少量碳化物，見圖7b)。
綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知：開裂排氣支管的化學(xué)成分滿足GB/T 9437－2009對QTRSi4Mo耐熱鑄鐵的技術(shù)要求；按GB/T 9441－2009評定鑄鐵材料的石墨球化率為70％，石墨大小級別為6級，基體顯微組織為鐵素體＋珠光體＋少量碳化物。
通過宏觀分析可知排氣支管表面能觀察到裂紋并且裂紋已經(jīng)貫穿試樣；排氣支管開裂面上具有氧化及銹蝕特征，開裂面無明顯塑性變形，符合脆性開裂特征。
通過斷口SEM分析可知，斷裂面靠近表面區(qū)域有氧化覆蓋層，并且存在較多的疏松孔洞。
通過斷面的剖面金相分析可知，開裂處存在嚴重的疏松缺陷，疏松的存在減小了排氣支管的有效承載面積，降低了材料的強度，在后續(xù)服役時，在振動力的作用下，排氣支管于缺陷處發(fā)生開裂失效。
結(jié)論及建議
該耐熱鑄鐵排氣支管開裂是由于材料內(nèi)部存在疏松缺陷，大大降低了材料的服役強度，在振動力的作用下排氣支管發(fā)生了開裂。疏松的產(chǎn)生主要是由于合金的液態(tài)收縮和凝固收縮大于固態(tài)收縮，形成疏松的條件是：合金的結(jié)晶溫度范圍寬，傾向于糊狀凝固方式；或者是鑄件斷面的溫度梯度小，合金液幾乎同時凝固，因液態(tài)和凝固收縮所形成的細小孔洞分散且得不到合金液的補充，就形成了疏松。建議在澆鑄時盡量降低澆鑄溫度和澆鑄速度。
來源：理化檢驗物理分冊
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