1Cr11MoNiW1VNbN钢螺栓裂纹分析

李海霞 黄 亮 李兴东 张小伍(哈尔滨汽轮机厂有限责任公司，黑龙江150046)

汽轮机机组中，螺栓作为紧固件对于管道法兰、汽缸以及阀门的紧固起到至关重要的作用[1]。某批次汽轮机高温螺栓进厂调质后发现4件毛坯材料表面存在裂纹。螺栓毛坯料的材质为1Cr11MoNiW1VNbN，规格为∅150 mm×1450 mm，毛坯料进厂前的主要生产流程为：电炉+AOD+LF+VD→电渣→初轧→退火→磨光→超声检测→精轧成材→退火。通过对毛坯料初步观察发现毛坯料裂纹沿螺栓纵向分布，并且4件毛坯料上裂纹位置几乎相同，为了确定毛坯料裂纹形成原因，取1件带裂纹的毛坯料解剖进行分析。毛坯料裂纹形貌见图1[2]。

图1 毛坯料裂纹宏观形貌Figure 1 Macroscopic appearance of cracks in blanks

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在螺栓毛坯料裂纹附近切取一块试样，按照GB/T 223《钢铁及合金化学分析方法》系列标准对毛坯料试样进行分析，测试结果见表1。由表1可见，1Cr11MoNiW1VNbN钢的化学成分符合GB/T 21410—2006要求[3]。

1.2 硬度测试

在毛坯料裂纹附近取样，经研磨抛光后，使用布氏硬度计测试其裂纹附近基体布氏硬度，测试结果见表2。由表2可见，1Cr11MoNiW1VNbN钢的硬度较为均匀，符合标准GB/T 21410—2006要求。

1.3 金相检验

在毛坯料裂纹附近取样进行金相检验，金相照片见图2。从图2可见，基体显微组织为较细小的回火索氏体组织，晶粒较为均匀。

2 断口分析

2.1 断口宏观形貌分析

将毛坯料裂纹打开，裂纹断口宏观形貌见图3。由图3可见，裂纹断面呈深黑色，断面氧化严重。

表1 1Cr11MoNiW1VNbN钢的化学成分(质量分数，%)Table 1 Chemical compositions of 1Cr11MoNiW1VNbN steel (mass fraction, %)

表2 1Cr11MoNiW1VNbN钢的硬度Table 2 Brinell hardness of 1Cr11MoNiW1VNbN steel

图2 毛坯料金相组织Figure 2 Metallographic structure of blank material

图3 毛坯料断口宏观形貌Figure 3 Macro-appearance of blank fracture

表3 断口能谱分析测试结果(质量分数，%)Table 3 Results of fracture by energy spectrum analysis (mass fraction, %)

2.2 断口微观形貌分析

利用SUPRATM 55扫描电子显微镜和QUANTAX 200能谱分析仪分析裂纹断面微观形貌以及断面靠近表面和心部不同区域的微区成分，结果见图4和表3。从断口微观形貌和微区成分测试结果可见，裂纹断面氧化严重，断口除氧化皮附着外，未见其他断裂形貌特征[4]。

图4 毛坯料断口微观形貌Figure 4 Micro-appearance of blank fracture

3 裂纹金相分析

在靠近裂纹端面位置取样(如图5所示)，制备成裂纹金相试样。利用Axioyert 40 mat型金相显微镜分析裂纹附近的裂纹金相组织，裂纹附近金相照片见图6和图7。由图6和图7可见，裂纹整体呈弧形，开口方向与毛坯料表面呈一定角度，裂纹从表面向内延伸，外表面开口较宽，且开口两侧边缘较为圆钝，裂纹末梢裂纹不耦合，也并不具备淬火裂纹纤细刚直、曲折扩展的金相[2]。裂纹两侧无带状非金属夹杂物和带状组织分布。由于裂纹从端部到末梢均较宽，不能分辨裂纹两侧金相组织的连续性；靠近表面的裂纹两侧存在明显氧化层，裂纹边缘存在明显脱碳层，脱碳层深度与毛坯料表面脱碳层基本一致[5]。

图5 毛坯料裂纹试样形貌Figure 5 Appearance of cracked blank sample

图6 裂纹金相形貌(未腐蚀)Figure 6 Metallograph of crack without corrosion

4 分析与讨论

(1)从毛坯料裂纹宏观及断口分析情况来看，开口方向与毛坯料表面呈一定角度，而不是和普通淬火裂纹一样与表面垂直，裂纹内部边缘氧化严重，存在大量的氧化皮，裂纹开口较大且边缘较为圆钝，即毛坯料裂纹不是调质时产生的淬火裂纹。

(2)从裂纹金相分析结果来看，裂纹内部有明显的氧化物填充，两侧脱碳层明显，并且裂纹末梢未见耦合性的裂纹特征，不具备淬火裂纹纤细刚直、曲折扩展的金相组织特征等现象，推断毛坯料裂纹为调质前形成的原始裂纹。

(3)综上，从毛坯料生产的工艺过程、裂纹宏观形态、断口氧化情况以及裂纹金相分析情况来看，该裂纹应为毛坯料在轧制中产生的折叠缺陷。折叠缺陷是在轧制料轧制过程中产生的，主要是因轧辊面磨损产生的毛刺或轧制料表面存在未去除氧化皮或凹坑，这些缺陷在轧制时进入轧制料基体，而这部分金属由于存在氧化而切断了基体金属的连续性，最终形成与基体材料表面成一定角度的折叠缺陷[6-7]。对于轧制料基体而言，由于折叠缺陷是在高温下形成的，所以折叠的缝隙中往往填充大量氧化物，且两侧容易形成脱碳层。折叠缺陷属于轧制料表面的原始缺陷[8]。

5 结论

(1)螺栓毛坯料上的裂纹应为调质前螺栓毛坯料轧制过程中折叠缺陷引起的原始裂纹。

(2)建议严格检查螺栓毛坯料表面状态，控制毛坯料进厂质量。

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