阀杆用X6CrNiCu17—04钢棒断裂失效原因分析

雷欣　焦少阳　王晰

【摘 要】某核电机组按RCC-M（2000版+2002补遗）采购的X6CrNiCu17-04阀杆在安装试验过程中，阀杆均发生了断裂。对断裂阀杆，进行化学成分、室温拉伸、0℃冲击试验和硬度复试、断口形貌和金相组织分析，结果表明断裂呈沿晶脆性断裂模式，室温拉伸和冲击试验结果均不满足规定要求。产生该问题的根本原因是由于RCC-M 英文版的M5110在2000版至2007版及期间的补遗，均将该合金中的化学元素“铌”错写为“钒”，直至2012版才进行了修正；由于化学成分错误，导致各项力学性能均不能满足设计要求。

【关键词】X6CrNiCu17-04；RCC-M；脆性断裂

中图分类号： TG142.15；TK268 文献标识码： A 文章编号： 2095-2457（2018）03-0150-003

Failure Analysis of Fracture of X6CrNiCu17-04 Steel Rod for Stem

LEI Xin JIAO Shao-yang WANG Xi

（China Nuclear Power Engineering Co.， Ltd.， Beijing 100840， China）

【Abstract】The stem of X6CrNiCu17-04 purchased by a nuclear power plant according to RCC-M （Addendum of 2000 edition +2002） has been fractured during the installation test. The fracture stem， chemical composition， tensile at room temperature， 0 ℃ impact test and hardness retest， fracture morphology and microstructure analysis showed that the fracture was along the crystal brittle fracture mode， room temperature tensile and impact test results are not satisfied Prescribed requirements. The root cause of this problem is that the RCC-M English version of the M5110 in the 2000 edition to the 2007 edition and during the addendum， the alloy of the chemical element “niobium” is wrongly written as “vanadium” until 2012 version was carried out Due to the chemical composition error， resulting in the mechanical properties can not meet the design requirements.

【Key words】X6CrNiCu17-04； RCC-M； Brittle fracture

0 引言

某核電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。

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。

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。

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。

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。

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10mlHF+5mlHNO3+15mlHCL+70ml 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。

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。钢中加入部分鈮，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.