基于失效分析的给水泵泵轴显微组织和力学性能对比研究

谷树超，王 松，李 俊

(上海明华电力科技有限公司，上海 200090)

0 引言

给水泵作为电站设备主要辅机之一，其安全平稳运行，对提高整个机组经济性及安全性起着至关重要的作用[1]，给水泵核心部件泵轴因承载较大的扭转应力、或因运行工况的恶化和设计、材质不良等原因，难免会发生泵轴断裂失效事故[2-5]，严重影响机组运行安全。

某300MW燃气-蒸汽联合循环锅炉给水泵泵轴断裂失效，水泵型号FT7C40，为双压定速、7级离心水泵，设计流量434.4t/h，电机功率2700kW，电压6000V，转速2980r/min。给泵泵轴通过平键连接，进行扭矩传递。根据水泵产品质量说明书，失效泵轴标称材质为17-4PH马氏体不锈钢，热处理方式为1050℃固溶(solution treatment, ST)+520℃时效(aging treatment, AT)处理，服役时间约7.5万h。

本文在对断裂泵轴进行失效分析的基础上，选取供货态17-4PH合金马氏体不锈钢(以下简称“供货态试样”，其热处理方式和失效泵轴热处理方式一致)作为对比试样，对其显微组织、力学性能及强化机理进行了系统的研究，并对失效泵轴与其显微组织和力学性能之间的差异进行了对比分析。

1 实验仪器与方法

按照标准《碳素钢和中低合金钢火花源原子发射光谱分析方法(常规法)》(GB/T4336-2016)，使用SPECTROMAXx全定量金属元素分析仪对试样合金成分进行分析。利用Stemi 508体式显微镜系统对合金断口进行低倍观察，按照标准《火电厂金相检验与评定技术导则》(DL/T884-2019)，使用氯化铁盐酸溶液对试样进行腐蚀后，利用Axio Oberver.D1m倒置万能材料显微镜对合金进行金相组织观察。利用扫描电子显微镜、高分辨率透射电镜系统对合金微观组织、微区EDS能谱、析出相形貌及尺寸进行观察分析，所使用的扫描电镜为FEI公司生产的Quanta FEG450型高分辨扫描电子显微镜，其加速电压200V～30kV，最大束流200nA。透射电镜为FEI公司生产的场发射TECNAI F30透射电子显微镜，加速电压为300kV。

TEM样品制作过程为：首先使用线切割技术在各管样基体上截取0.3mm厚的试样，然后研磨、冲孔得到厚度为80～100μm、直径为3mm的圆片，最后利用MTP-1A电解双喷仪对上述圆片进行减薄、腐蚀，双喷电压为45V。

按照标准《金属布氏硬度试验 第一部分：试验方法》(GB/T231.1-2018)，利用UH250布洛维台式硬度计对试样进行硬度试验，试验中力值设定为125.0kgf，压头直径2.5mm，保持时间10s。按照标准《金属材料 拉伸试验 第1部分：室温试验方法 》(GBT228.1-2010)对各试样进行机械加工，制取常温棒状拉伸试样，然后使用C45.305微机控制电子万能试验机，对加工后各试样进行常温静态拉伸试验，并测试其抗拉强度、屈服强度和伸长率指标，拉伸试验参数为GB/T228A224，即拉伸控制模式为应变速率控制，应变速率以平行长度估算，分别为0.00025S-1(屈服强度之前)和0.00067S-1(屈服强度之后)。为减小试验误差和偶然数据的出现，所有拉伸试验设计三组平行试样并取其平均值。

2 结果与分析

2.1 宏观分析

失效泵轴断口宏观形貌如图1所示。由图可知，泵轴断裂位置发生在自由端并进螺母位置、螺纹连接处，断面呈黑灰色，断面高低落差较大，边缘区域有多处扇形台阶分布，且每个台阶面相对较平细，呈多源启动的弯曲旋转断裂特征。进一步观察，“6 点钟”方向断面相对平细，隐约可见由外向内扩展的条纹；“2 点钟”方向台阶较为明显，同时可见由外向内扩展的条纹；断面中部近“10 点钟”方向相对粗糙，起伏大，拟为终断区域。

图1 失效泵轴断口宏观形貌

2.2 断口扫描电镜分析

泵轴断口典型区域SEM照片如图2所示。6点钟方位断面可见有挤压擦伤，断面边缘沿螺纹根部分布，可见多个小台阶，隐约可见由外向内扩展的条纹(图2(a))，高倍下断口呈准解离形貌，并明显可见平行的疲劳条带(图2(b))。2点钟方位断面形貌可见准解理和沿晶断裂形貌，并有少量擦伤，局部可见微裂纹存在。泵轴断裂起始区未见明显的冶金缺陷，来样泵轴断面特征显示为多源启动的疲劳扩展断裂。

图2 断口微区扫描电镜形貌

2.3 化学成分分析

对失效泵轴和供货态试样进行化学成分分析，分析结果如表1所示。由表1分析可知，失效泵轴C元素含量较高，合金元素尤其是Ni、Cu元素含量严重不足(分别较正常供货态含量低4%和3%)，供货态试样各元素含量均在不锈钢棒(GB/T1220-2007)范围之内。由此可判断，失效泵轴材质并非17-4PH马氏体不锈钢，存在材质错用现象。

表1 失效泵轴和供货态17-4PH试样化学成分 wt%

2.4 金相组织分析

失效泵轴和供货态17-4PH试样光学显微照片如图3所示。由图可知，失效泵轴组织不均，呈现明显的偏析现象，金相显微组织由粗大的马氏体、较多的残余奥氏体和铁素体组成，部分区域铁素体呈块状分布(图3(a)～3(c))。

分析表明，失效泵轴组织残余奥氏体含量较高，与材质中较多的含碳量有关[7-9]，由于碳是主要的奥氏体稳定元素，奥氏体中的含碳量越高，马氏体转变温度(Ms～Mf)越低[10-12]，文献[13]研究结果表明，当碳含量为0.25%，碳当量为4.08%，Ms仅为45.3℃。失效泵轴显微组织偏析及块状铁素体的存在，均会破坏组织的均匀性，降低材料的强度和韧性，加速材料的失效断裂[14-15]。供货态17-4PH组织光学显微镜下，组织细小均匀，为马氏体和少量残余奥氏体组成，并可见基体弥散分布的第二相析出颗粒(图3(d))。

图3 失效泵轴和供货态试样金相组织

2.5 扫描电镜及透射电镜分析

对失效泵轴进行SEM分析及微区EDS分析，其结果如图4、图5所示；其高分辨率透射电镜场像、显微图片和选区电子衍射分析结果如图6所示。

图4 失效泵轴SEM图片和EDS能谱分析

图5 失效泵轴微区元素分布

图6 失效泵轴透射电镜照片

由图4、图5可知，失效泵轴组织原奥氏体晶界清晰可见，原奥氏体晶粒内，可见有沿不同方向排列的粗大马氏体板条，相同惯习面的马氏体板条平行排列，不同惯习面的马氏体束与束之间角度约为60°。原奥氏体晶界和马氏体晶界有较大尺寸的析出物，析出物聚集长大，最大析出物长轴尺寸接近1μm，并呈链状分布，SEM照片显示晶界或晶粒内部未见明显的其他沉淀强化相存在。

通过对图4(c)所示的A、B、C三个微区进行EDS能谱分析，可以看出尺寸较大的析出物主要为富Cr的碳化物。晶界碳化物尺寸较小时，可以阻碍晶界滑移，起到一定的强化作用，但碳化物的大量析出、长大，并呈链状分布在晶界时，则会对晶界起弱化作用，致使界面结合强度降低，从而容易引起冲击吸收能量和塑性降低，成为断裂失效的发源地[16-19]。

由图6可知，失效泵轴马氏体板条边界含有大量粗化的碳化物，碳化物形貌显示为长棒状，并呈链状连续分布。碳化物经电子衍射标定为面心立方结构的M23C6碳化物。从图6中还可以看出，马氏体板条的宽度约为0.5μm，部分区域马氏体板条结构已发生碎化，位错密度降低，且位错主要分布在马氏体板条边界位置的粗大碳化物附近。通过透射电镜明场像和暗场像对比分析，失效泵轴组织未见其它明显的沉淀强化相存在，晶界上粗大的碳化物对周围位错的钉扎作用是决定失效泵轴具有一定力学强度的主要因素[20-23]。

图7为供货态17-4PH扫描电镜图片及微区能谱分析结果，由上述SEM照片可知，供货态17-4PH组织细小均匀，由马氏体和残余奥氏体组成，高倍照片(×100000)下，清晰可见板条马氏体组织中所显露的立体分布形态[24]，在同一原奥氏体晶粒内包含有几条较为稠密的马氏体束，马氏体束之间被高度变形的残余奥氏体薄膜所隔开，同一板条内的马氏体在空间形态内呈现一致的位向生长关系，如图7(b)、7(c)所示。

进一步观察发现，马氏体基体内弥散分布有球形的析出相存在，析出相尺寸范围大约在几十nm至400nm之间，EDS分析显示，较大的析出相(区域A、区域B)为富Nb相，Nb含量质量分数最高可达12.85%，明显高于基体的Nb含量(0.28%)，图8所示的微区Nb元素面扫描结果也证实了上述区域弥散分布的合金化合物为富Nb相。区域C各元素含量与基体宏观化学成分基本一致，这与能谱分析结果一致，相应EDS能谱分析结果如图7(d)～7(f)所示。

图9为供货态17-4PH试样透射电镜明场显微组织照片，可以看到明显的马氏体板条结构和高密度的位错结构，板条宽度约0.5μm(见图8(a))，经电子衍射分析，较大的球形析出物为fcc结构的NbC沉淀相，其点阵常数约为0.447nm，颗粒大小为100nm左右，较小的析出物为fcc结构的ε-Cu沉淀相，颗粒大小约几十nm，并与bcc结构的马氏体保持严格的共格(K-S)关系[25]。上述两种类型、不同尺寸的沉淀合金相弥散分布在合金基体中，通过对位错的钉扎作用，为合金提供强化作用[26]。

图8 失效泵轴微区元素分布

图9 供货态17-4PH透射电镜明场照片

图10为供货态17-4PH试样其他区域透射电镜明场像和暗场像照片，从图中也可以看出，供货态17-4PH试样至少含两种大小不一的沉淀强化相，尺寸较大的为NbC相，尺寸较小的为ε-Cu相，两种沉淀强化相的数量及形态特征与以往相关研究相符[12-13]。

图10 供货态17-4PH透射电镜照片：(a)(c)明场像； (b)(d)暗场像

2.6 力学性能分析

对失效泵轴和供货态17-4PH试样进行硬度试验和室温(25℃)静拉伸试验，其试验结果如图11所示。由图可以看出，失效泵轴材质硬度和强度明显低于供货态17-4PH试样，也不满足GB/T1220-2007对于该材料的最低强度要求(620℃时效时的最低屈服强度725MPa，最低抗拉强度930MPa)，从材料强度指标方面证实失效泵轴材质欠佳。另一方面，供货态17-4PH强度指标满足上述标准使用要求，无论是硬度还是静拉伸显示的强度指标与以往的研究基本一致[27-28]。

图11 失效泵轴和供货态17-4PH硬度和拉伸性能

2.7 综合分析

17-4PH钢主要靠固溶后的马氏体相变强化和时效处理产生共格沉淀相提供强化作用[29]。而弥散分布的NbC、ε-Cu等纳米沉淀相是其强度的主要来源。由失效泵轴化学成分分析结果可知，泵轴材质化学成分C含量较高，Cr、Ni、Cu等合金元素含量大幅度偏低，失效泵轴存在材质错用现象，这一方面会减小不锈钢热处理时的奥氏体区，使合金微观组织铁素体含量偏高，另一方面也会减弱合金元素的弥散强化作用，使合金力学性能进一步明显降低。由金相分析可知，泵轴微观组织晶粒较为粗大，且含有较高含量的铁素体和残余奥氏体，这既有损于合金强度，也使其耐蚀性能降低。而力学性能试验证实，失效泵轴材质无论硬度、屈服强度和抗拉强度均大幅低于17-4PH材料下限。综上分析，给水泵泵轴材质的错用使泵轴综合力学性能降低，引起承载极限降低，在应力集中区产生疲劳裂纹，导致泵轴断裂失效。

3 结论

(1)给泵泵轴材料错用和较多的铁素体和残留奥氏体的存在, 以及不能有效析出沉淀强化相，降低了材料的综合性能, 这是引起泵轴早期疲劳断裂的主要原因。

(2)失效泵轴显微组织较供货态17-4PH材料存在明显的差异，其力学性能亦显著降低，供货态17-4PH试样细小均匀的马氏体柱状结构，弥散分布的NbC、ε-Cu等纳米沉淀相是引起材质强度升高的主要原因。

(3)在日常生产过程中，应严格把关材料的成分控制和材料验收管理，加强日常的金属监督工作。