大容積高壓氣瓶爆破失效分析

■ 范俊明，周啟雄

我公司生產的一個開口為φ60mm的高壓氣瓶在做爆破試驗時，發現爆破口產生開裂，其開裂形態與正常爆破口形態不一致。爆破后的氣瓶完整形貌如圖1所示。

該氣瓶材料為35CrMo鋼，是一種中碳合金調質結構鋼，具有良好的強韌性，被廣泛應用于制造承受沖擊、彎扭、高載荷的各種機器中的重要零件，如化工機械中高壓無縫厚壁鋼管等。

針對氣瓶的異常開裂現象，對該氣瓶開裂部位進行斷口微觀檢查和金相組織分析，以找出造成爆破裂縫分叉的原因，從而防止類似的異常現象再次發生。

1.分析取樣

從爆破口的斷口上可看出，管體在爆破試驗時，先在圖2的a位置發生開裂，然后沿兩邊延伸。管體爆破時，由于某種原因，裂紋在圖2的b位置沿兩個方向擴展，在圖的右端同樣如此，由此可判斷出管體的撕裂方向。

斷口橫截面放大如圖3所示，從中可以清楚地看到河流放射區和剪切唇區。

由圖2可以看出，爆破氣瓶左右兩端裂縫均有分叉，因此在裂縫的兩個分叉部位分別進行分析取樣并標號為1#、2#。首先通過加工把整個部位全部取下，之后對斷口進行清洗處理，然后再對斷口分叉部位進行分析。圖4為左右兩端分叉部位取下的兩個分析試樣1#、2#的形貌。

分別在1#、2#的斷口尖端部位切取試樣，用于觀察斷口的形貌和進行能譜分析，切取位置如圖中的紅色線框所示。在遠離斷口部位的完好位置處分別切取3個金相試樣用于觀察爆破氣瓶內外及中間表面的金相組織并進行晶粒度和夾雜物分析，切取位置如圖中的黃色線框所示。

2.掃描電鏡及能譜分析

試樣1#、2#的斷口分叉處即尖端部位的顯微形貌分別如圖5、圖6所示；1#金相試樣的顯微形貌如圖7所示。

圖1 爆破氣瓶的完整形貌

圖2 管體的爆破撕裂方向

圖3 斷口橫截面放大

圖4 取下的斷口分析試樣

圖5 1#斷口尖端部位顯微形貌

從圖中可以清晰地看到，斷裂平面幾乎沒有韌窩。對比圖5、圖6可見，1#、2#的斷口尖端部位，特別是1#斷口的尖端部位中存在著大量的圓球形顆粒，如圖中線框所示。這些圓球形顆粒與材料基體相連，說明圓球形顆粒不是外界帶入的，而是材料中本身就存在的。顯然，這些圓球形顆粒是材料在鑄造過程中形成的缺陷。為弄清圓球形顆粒的成分，對金相試樣表面和圓球形顆粒進行能譜分析（見圖8、圖9）。

表1為金相試樣表面即基體的能譜分析結果，表2為圓球形顆粒的能譜分析結果。從中可以看出，圓球形顆粒的元素成分和基體基本一樣，但含有較多的氧元素，說明該圓球形顆粒主要為氧化物夾雜，且是材料內部本身存在的。這些圓球形夾雜物顆粒的存在使材料的脆性增大，降低了材料的韌性，容易使裂紋沿著這些有圓球形顆粒的區域擴展。

由以上分析可知，斷口分叉部位存在大量的氧化夾雜顆粒，這些顆粒的存在大大降低了材料的韌性，而裂紋一般沿著阻力最小的地方擴展。因此，裂紋容易沿著這些含有大量氧化物顆粒的區域擴展，這個區域的裂紋擴展阻力最小，這是該高壓氣瓶爆破試驗中裂縫在此處出現分叉的原因之一。

3.金相分析

為深入分析該高壓氣瓶自身的特性，在斷口部位選取1#和2#斷口，在遠離斷口部位選取2#的3個金相試樣，分析兩個斷口和鋼管內壁、中間和外壁的金相組織。1#、2#斷口附近的金相組織如圖10、圖11所示；遠離斷口的鋼管內壁、中間和外壁的金相組織如圖12～圖14所示。

圖6 2#斷口尖端部位顯微形貌

圖7 1#金相試樣顯微形貌

圖8 金相試樣表面的能譜圖

圖9 1#斷口圓球形顆粒的能譜圖

表1 金相試樣表面能譜分析的元素含量 （%）

表2 圓球形顆粒能譜分析的元素含量 （%）

從圖10可以看出，1#斷口大部分區域組織為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有一處邊角區域組織為索氏體，有成分偏析現象；從圖11可以看出，2#斷口附近組織與其他部位組織相同，均為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有成分偏析現象。

由圖12～圖14可以看出，2#內壁的金相組織為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體，有成分偏析現象；2#中間的金相組織為索氏體+貝氏體+塊狀鐵素體；2#外壁的金相組織為索氏體。

該鋼管的熱處理為淬火+高溫回火，熱處理后的正常組織應為回火索氏體，因此該鋼管除了外壁的組織符合要求外，其余部分均與設計要求不太符合。

分別對兩個斷口和氣瓶內壁、中間和外壁進行晶粒度評級，評級結果如圖15所示。

根據GB/T 6394—2002金屬平均晶粒度測定法，1#、2#斷口以及2#內壁、中間和外壁的晶粒度均為8.0級。

分別對兩個斷口和氣瓶內壁、中間和外壁進行夾雜物評級，評級結果如圖16所示。

根據GB/T 10561—2005鋼中非金屬夾雜物含量進行測定。

（1）1#斷口夾雜物評級 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細系：A0.5、B0、C0、D1、DS0。

（2）2#斷口夾雜物評級 粗系：A0、B0、C0、D1；細系：A0、B0、C0、D0.5、DS0。

（3）2#內壁夾雜物評級 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細系：A0.5、B0、C0、D1、DS0。

（4）2#中間夾雜物評級 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細系：A0.5、B0、C0、D0.5、DS0。

（5）2#外壁夾雜物評級 粗系：A0、B0、C0、D0.5；細系：A0.5、B0、C0、D1、DS1。

由晶粒度和夾雜物評級可知，該高壓氣瓶材料晶粒較細，晶粒度符合要求；但D類夾雜物即環狀氧化物類夾雜較多，這與掃描電鏡觀察的材料中本身存在較多氧化物夾雜的結果是一致的。

圖10 1#斷口的金相

圖11 2#斷口的金相

圖12 2#內壁的金相

圖13 2#中間的金相

4.結果分析

（1）爆破高壓氣瓶裂紋分叉的斷口部位存在著較多的鑄造過程中形成的氧化物夾雜，此類缺陷的存在為裂紋的擴展提供了有利條件，大大減小了裂紋擴展的阻力，以致高壓氣瓶爆破試驗中裂紋在該部位出現分叉。

（2）高壓氣瓶全壁厚呈現出組織的不一致性，鋼管外壁為索氏體組織，中間為索氏體+貝氏體+塊狀鐵素體組織，內壁為索氏體+貝氏體+針狀鐵素體組織，且組織存在成分偏析現象。由于貝氏體組織的塑性不如索氏體組織，而鐵素體組織的存在會降低材料的強度，因此沿著壁厚方向，從內壁到外壁的強度、塑性和沖擊韌度會不一致，就會對爆破試驗中材料的承壓能力和斷口形貌產生影響。而鋼管內外壁的組織差異是在調質過程中形成的，與材料的熱處理工藝有直接關系。

5.改進措施

（1）提高高壓氣瓶原材料的純凈度，嚴格控制熔煉及澆注環節，減少材料內部氧化物夾雜的數量，降低鋼液冷卻凝固過程中成分偏析的程度，確保所使用的材料有優良的強度和塑性。

（2）嚴格執行制訂的熱處理工藝規范，如加熱溫度、保溫時間等；優化鋼的熱處理工藝，尤其應改善淬火冷卻條件，確保氣瓶內外壁冷卻速度接近，提高材料組織的均勻一致性。

圖14 2#外壁的金相

圖15 晶粒度評級

圖16 夾雜物評級

20150315