Page 58 - 理化检验-物理分册2023年第七期

张志达, 等: 汽轮机用20Cr1Mo1VNbTiB钢高温双头螺柱断裂原因

试验机上进行拉伸试验。根据 GB / T229 — 2020 如表2所示。由表2可知: 试样的屈服强度、 抗拉强

《 金属材料 夏比摆锤冲击试验方法》, 在金属材料摆 度和断后伸长率均符合 DL / T439 — 2018 的要求;

锤冲击试验机上进行冲击试验; 根据 GB / T231.1 — 试样的断面收缩率为42%~44% , 低于标准要求; 试
2018 《 金属材料 布氏硬度试验方法》, 在全自动布 样的冲击吸收能量为7.4~8.4J , 远低于标准要求; 试

氏硬度计上进行布氏硬度测试, 力学性能测试结果 样的布氏硬度为255~304HB , 超出标准要求。

图7 螺柱断口表面残留氧化物的能谱分析结果
表2 断裂螺柱的力学性能测试结果
项目 抗拉强度 / MPa 屈服强度 / MPa 断后伸长率 / % 断面收缩率 / % 冲击吸收能量 / J 硬度 / HB
位置1实测值 904 762 16.0 42.0 8.4 255 , 292 , 304
位置2实测值 918 775 18.0 42.0 8.1 293 , 296 , 302
位置3实测值 900 765 17.0 44.0 7.4 298 , 296 , 304
标准值 ≥785 ≥670 ≥14 ≥50 ≥39 252~302

成初始沿晶裂纹, 在热应力和紧固应力的综合作用
2 综合分析
下, 初始微裂纹扩展, 并生成二次沿晶裂纹, 最终导
由宏观观察结果可知: 断口位于螺帽和螺杆过 致螺柱脆性断裂。 20Cr1Mo1VNbTiB 钢高温双头

渡区的第一扣螺牙根部, 断面平齐, 与轴向基本垂 螺柱调质工艺为: 淬火( 1020~1040 ℃ ) +高温回

直, 未见明显塑性变形; 断口可见人字形条纹形貌, 火( 720~740℃ ), 调质后的显微组织为回火贝氏
根据纹理走向可明显区分出裂纹源区、 裂纹扩展区 体。材料对调质热处理工艺的要求极高, 当淬火温
和瞬断区。裂纹源区可观察到明显粗晶现象, 裂纹 度、 回火温度、 回火时间等参数控制不当时, 极易产
扩展区和瞬断区可见弧形剪切唇, 呈典型的脆性断 生粗晶区, 发生组织偏析, 形成裂纹源, 在较高的交
裂特征。螺柱的螺纹部位相当于缺口, 在尖锐的螺 变应力和热应力作用下, 材料组织劣化, 脆性和硬性
纹缺口位置易形成应力集中, 使得螺纹根部承受极 增大, 裂纹不断扩展, 最终发生脆性断裂。
大的应力作用 [ 7 ] , 且裂纹源区存在粗晶组织, 降低了
螺柱的韧性 [ 8 ] , 在高温和高应力的作用下, 螺柱螺纹 3 结论及建议
根部的粗晶区形成了微裂纹, 并发生沿晶开裂。 3.1 结论
由金相检验结果可知: 螺柱裂纹源区组织为马 20Cr1Mo1VNbTiB钢螺柱第一扣螺牙根部存
氏体相位的贝氏体, 存在组织偏析现象, 晶粒度等级 在粗大晶粒区, 在高温、 高压环境下, 材料的晶粒度
为3级, 断口呈准解理断裂形貌; 裂纹扩展区组织为 和组织劣化, 出现混晶现象, 晶界碳化物聚集, 导致
回火索氏体+块状铁素体, 晶界出现碳化物聚集现 材料的力学性能下降, 脆性增加, 最终导致螺纹根部
象, 晶粒度等级为4级。材料的晶粒度和显微组织 发生脆性断裂。
劣化, 导致材料的力学性能发生变化, 断裂螺柱的冲 3.2 建议

击吸收能量、 断面收缩率、 布氏硬度等均不满足标准 ( 1 )严格控制材料的热处理工艺, 保证调质后
要求, 材料呈现出明显的脆硬性。在长期高温、 高压 的组织细化均匀。 采用较低的锻造加热温度、 严格
环境中运行时, 螺柱粗晶区发生裂变, 脆性增加, 形 ( 下转第46页)

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