阀杆用X6CrNiCu17-04钢棒断裂失效原因分析

雷 欣 焦少阳 王 晰

（中国核电工程有限公司，中国 北京 100840）

0　引言

某核电机组阀门中的阀杆在安装调试过程中，使用同一批材料的4台阀门中的直径为φ150mm的X6CrNiCu17-04阀杆均发生了断裂，如图1所示。

图1　阀杆断裂宏观形貌图

阀杆用棒材为按RCC-M （2000版+2002补遗）[1]M5110生产制造的X6CrNiCu17-04，化学成分如表1所示；可以看出实测化学成分满足标准规定值。

根据M5110的规定，阀杆应热处理应满足下述要求：1020℃～1060℃固溶热处理， 然后空冷或油冷到30℃或更低；然后在 595℃～620℃保温（时效硬化）4h，后空冷。实际的热处理条件为：固溶温度是1040℃，固溶保温时间 2h，然后油冷至26℃；时效热处理时，时效温度为620℃，保温 4h，然后空冷。据此可以看出热处理过程也完全满足规范要求。

表1　X6CrNiCu17-04的化学成分（质量分数，w t%）

1　力学性能复验

表2给出了室温拉伸和冲击试验的规定值和复验实测值，可以看出除室温拉伸的抗拉强度满足规定值以外，其他结果均不满足规定要求，尤其是冲击值明显较低。

表 2 X6CrNiCu17-04阀杆（A级）的力学性能

沿半径方向从边缘向中心位置按GB/T 4340进行维氏硬度（HV）测试[2]，如图 2所示，测试条件为载荷300gf，保载时间 15s。对测得的HV值，根据 GB/T 1172-1999转换为布氏硬度(HBW)，具体结果如图3所示。根据RCC-M M5110的要求，X6CrNiCu17-04在经过固溶处理+时效硬化后，其硬度值应大于等于302HBW，据此可以看出硬度检测结果满足规定要求。

图2　硬度测试示意图

图3　硬度检测结果

2　断口形貌及金相组织分析

2.1　断口形貌分析

对断口区域，利用S-3400型电子扫描电镜（SEM,scanning electron microscope）对T型断口进行微观观察分析。首先对起裂位置S2处附近的断口形貌进行了观察分析，如图2。经过仔细观察后，在亚表面发现了裂纹源，经放大观察为沿晶断裂特征。

图4　断口附近形貌观察

2.2　基体金相组织分析

在靠近断口区域，截取试样进行金相观察。材料经打磨、抛光后，使用10m lHF+5m lHNO3+15m lHCL+70m l蒸馏水溶液腐蚀，时间约10min。其结果如图3所示，图3（a）为靠近表面金相组织，能明显看出明显的晶界，这表明存在较多的残余奥氏体，同时晶粒内存在粗大的板条状马氏体和少量铁素体；图3（b）为心部组织，可以看出该组织为正常的马氏体组织。研究表明[3-4]想要获得高的冲击韧性，金相组织应为不含δ铁素体的低碳回火马氏体组织，粗大的晶粒以及当组织中含δ铁素体时，会明显降低冲击试验结果值，由于靠近表明区域的较大晶粒及其中存在的δ铁素体，导致冲击韧性结果较差，和表2结果相吻合。

图5　金相组织

3　原因分析

3.1　合金元素的影响[5]

在不锈钢的合金元素中，铬是最重要的元素。由于铬形成的致密、稳定的Cr2O3薄膜的保护，阻止了介质对基体的继续渗入腐蚀。研究表明Cr含量超过11.7%（对应Cr原子与铁原子之比为1/8）时，可明显提高铁基体的电极电位，并具有明显的耐蚀性。

镍不仅是优良的耐腐蚀材料，而且可以增加镍当量，扩大奥氏体区间，使得不锈钢在含较多铬时，可以通过加入适当镍使不锈钢在固溶热处理后得到马氏体组织；如果进一步提高镍到8%左右（如广泛使用的18-8奥氏体不锈钢），即可获得单相的奥氏体组织。

铜在沉淀硬化不锈钢中，因时效处理析出富铜的强化相而使钢强化；但铜含量过高时对韧性有影响，常控制铜含量不超过3.5%。

铌是强烈形成碳化物的元素，比铬更容易形成碳化物。钢中加入部分铌，就会使钢中的铬能尽量稳定地存在于固溶体中，使固溶体中有足以保证耐蚀性能的铬含量，并可避免晶间存在贫铬区，从而可有效防止晶间腐蚀。加入铌也可以在时效期间起到沉淀硬化的作用，并阻碍时效时组织的晶粒长大倾向。

钒在不锈钢中的作用是增强淬透性和形成碳化物，并且能耐高温，有强烈的二次硬化作用，对提高硬度有显著作用；并且能够细化晶粒，稳定尺寸，一般常用于合金刀具钢中。

3.2　热处理制度的影响

X6CrNiCu17-04的热处理制度为固溶+时效硬化。固溶加热时应保证钢中的碳和合金元素充分溶于奥氏体中，但也不宜过高，因为（1）过高的加热温度不仅会引起晶粒粗大，还会使马氏体转变点太低，致使固溶完成后产生较多的残余奥氏体；（2）过高的加热温度还可能使固溶组织中存在较多含量的铁素体。固溶处理后的金相组织应为含有过饱和铜的低碳板条状马氏体组织，有时可能存在少量残留奥氏体和铁素体。时效热处理是为了时效析出富铜相，以提高其硬度和强度，一般在480℃左右可获得最高的硬度和强度；随着时效温度的升高，硬度和强度下降，塑性和韧性提高。为了保证沉淀相的充分析出和时效效果，时效的保温时间一般不少于4h。

3.3　执行标准差异

作为马氏体沉淀硬化不锈钢，X6CrNiCu17-04的合金成分中，除铬、镍、铜外，应含有0.15～0.45%的铌，而钒作为提高淬透性和硬度作用的合金元素，不应加入，如 GB/T 1220中对应的05Cr17Ni4Cu4Nb，其Nb含量要求为0.15～0.45%。

在RCC-M英文版2000版和2007版，以及其间2002补 遗 和 2005补 遗 的 M5110中 ， 对 于X6CrNiCu17-04，均将化学成分铌错误的写为钒；在RCC-M 2012英文版中，才将该错误纠正为含钒。

据此可以得知，阀杆钢棒断裂失效的最根本原因是由于制造厂在严格按照RCC-M标准采购钢棒时，因为标准错误，而导致该类钢中本应该含铌，却变成了含钒。由于钒具有强烈的淬透和二次硬化作用，导致钢棒的硬度远大于规定值（如图3），同时冲击值明显小于规定值（如表2）。

由于铌的缺失，钢中未能形成碳化铌，且由于钢棒表面温度较高，使得表面金相组织中晶粒明显长大；同时粗大的晶粒会使马氏体转变点变低，致使热处理完成后，除马氏体外，还包含少量残余奥氏体和铁素体。由于心部温度相对较低，形成了均匀的马氏体组织。

4　小结

（1）阀杆钢棒断裂失效的根本原因是由于在按照RCC-M M5110(2000版+2002补遗)采购时，由于标准的错误，导致钢中本应该存在的铌变成了钒，从而导致材料强度较高，冲击韧性较差。

（2）由于铌的缺失，另外钢棒表面热处理时温度较高，使得表面区域的金相组织为残余奥氏体+马氏体+铁素体；而心部由于热处理时温度相对较低，其金相组织为均匀的马氏体组织。

【参考文献】

［1］RCC-M,核岛机械设备设计和建造规则[S].

［2］GB-T 4340 金属维氏硬度试验[S].

［3］班允吉,林庆选,罗扬,等.17-4PH钢轧制棒材低温冷冲击性能的研究,材料热处理技术，2009，38(12),40-43.

［4］邹红,王均,李聪,等.17-4PH不锈钢350℃长期时效组织演化的透射电镜观察，核动力工程，2005,26(4)：397-401.

［5］张文华.不锈钢及其热处理[M].辽宁科学技术出版社,2010.