閥桿用X6CrNiCu17—04鋼棒斷裂失效原因分析

雷欣　焦少陽　王晰

【摘 要】某核電機組按RCC-M（2000版+2002補遺）采購的X6CrNiCu17-04閥桿在安裝試驗過程中，閥桿均發生了斷裂。對斷裂閥桿，進行化學成分、室溫拉伸、0℃沖擊試驗和硬度復試、斷口形貌和金相組織分析，結果表明斷裂呈沿晶脆性斷裂模式，室溫拉伸和沖擊試驗結果均不滿足規定要求。產生該問題的根本原因是由于RCC-M 英文版的M5110在2000版至2007版及期間的補遺，均將該合金中的化學元素“鈮”錯寫為“釩”，直至2012版才進行了修正；由于化學成分錯誤，導致各項力學性能均不能滿足設計要求。

【關鍵詞】X6CrNiCu17-04；RCC-M；脆性斷裂

中圖分類號： TG142.15；TK268 文獻標識碼： A 文章編號： 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

某核電機組閥門中的閥桿在安裝調試過程中，使用同一批材料的4臺閥門中的直徑為φ150mm的X6CrNiCu17-04閥桿均發生了斷裂，如圖1所示。

閥桿用棒材為按RCC-M（2000版+2002補遺）[1]M5110生產制造的X6CrNiCu17-04，化學成分如表1所示；可以看出實測化學成分滿足標準規定值。

根據M5110的規定，閥桿應熱處理應滿足下述要求：1020℃～1060℃固溶熱處理，然后空冷或油冷到30℃或更低；然后在595℃～620℃保溫（時效硬化）4h，后空冷。實際的熱處理條件為：固溶溫度是1040℃，固溶保溫時間2h，然后油冷至26℃；時效熱處理時，時效溫度為620℃，保溫4h，然后空冷。據此可以看出熱處理過程也完全滿足規范要求。

1 力學性能復驗

表2給出了室溫拉伸和沖擊試驗的規定值和復驗實測值，可以看出除室溫拉伸的抗拉強度滿足規定值以外，其他結果均不滿足規定要求，尤其是沖擊值明顯較低。

沿半徑方向從邊緣向中心位置按GB/T 4340進行維氏硬度（HV）測試[2]，如圖2所示，測試條件為載荷300gf，保載時間15s。對測得的HV值，根據GB/T 1172-1999轉換為布氏硬度（HBW），具體結果如圖3所示。根據RCC-M M5110的要求，X6CrNiCu17-04在經過固溶處理+時效硬化后，其硬度值應大于等于302HBW，據此可以看出硬度檢測結果滿足規定要求。

2 斷口形貌及金相組織分析

2.1 斷口形貌分析

對斷口區域，利用S-3400型電子掃描電鏡（SEM， scanning electron microscope）對T型斷口進行微觀觀察分析。首先對起裂位置S2處附近的斷口形貌進行了觀察分析，如圖2。經過仔細觀察后，在亞表面發現了裂紋源，經放大觀察為沿晶斷裂特征。

2.2 基體金相組織分析

在靠近斷口區域，截取試樣進行金相觀察。材料經打磨、拋光后，使用10mlHF+5mlHNO3+15mlHCL+70ml 蒸餾水溶液腐蝕，時間約10min。其結果如圖3所示，圖3（a）為靠近表面金相組織，能明顯看出明顯的晶界，這表明存在較多的殘余奧氏體，同時晶粒內存在粗大的板條狀馬氏體和少量鐵素體；圖3（b）為心部組織，可以看出該組織為正常的馬氏體組織。研究表明[3-4]想要獲得高的沖擊韌性，金相組織應為不含δ鐵素體的低碳回火馬氏體組織，粗大的晶粒以及當組織中含δ鐵素體時，會明顯降低沖擊試驗結果值，由于靠近表明區域的較大晶粒及其中存在的δ鐵素體，導致沖擊韌性結果較差，和表2結果相吻合。

3 原因分析

3.1 合金元素的影響[5]

在不銹鋼的合金元素中，鉻是最重要的元素。由于鉻形成的致密、穩定的Cr2O3薄膜的保護，阻止了介質對基體的繼續滲入腐蝕。研究表明Cr含量超過11.7%（對應Cr原子與鐵原子之比為1/8）時，可明顯提高鐵基體的電極電位，并具有明顯的耐蝕性。

鎳不僅是優良的耐腐蝕材料，而且可以增加鎳當量，擴大奧氏體區間，使得不銹鋼在含較多鉻時，可以通過加入適當鎳使不銹鋼在固溶熱處理后得到馬氏體組織；如果進一步提高鎳到8%左右（如廣泛使用的18-8奧氏體不銹鋼），即可獲得單相的奧氏體組織。

銅在沉淀硬化不銹鋼中，因時效處理析出富銅的強化相而使鋼強化；但銅含量過高時對韌性有影響，常控制銅含量不超過3.5%。

鈮是強烈形成碳化物的元素，比鉻更容易形成碳化物。鋼中加入部分鈮，就會使鋼中的鉻能盡量穩定地存在于固溶體中，使固溶體中有足以保證耐蝕性能的鉻含量，并可避免晶間存在貧鉻區，從而可有效防止晶間腐蝕。加入鈮也可以在時效期間起到沉淀硬化的作用，并阻礙時效時組織的晶粒長大傾向。

釩在不銹鋼中的作用是增強淬透性和形成碳化物，并且能耐高溫，有強烈的二次硬化作用，對提高硬度有顯著作用；并且能夠細化晶粒，穩定尺寸，一般常用于合金刀具鋼中。

3.2 熱處理制度的影響

X6CrNiCu17-04的熱處理制度為固溶+時效硬化。固溶加熱時應保證鋼中的碳和合金元素充分溶于奧氏體中，但也不宜過高，因為（1）過高的加熱溫度不僅會引起晶粒粗大，還會使馬氏體轉變點太低，致使固溶完成后產生較多的殘余奧氏體；（2）過高的加熱溫度還可能使固溶組織中存在較多含量的鐵素體。固溶處理后的金相組織應為含有過飽和銅的低碳板條狀馬氏體組織，有時可能存在少量殘留奧氏體和鐵素體。時效熱處理是為了時效析出富銅相，以提高其硬度和強度，一般在480℃左右可獲得最高的硬度和強度；隨著時效溫度的升高，硬度和強度下降，塑性和韌性提高。為了保證沉淀相的充分析出和時效效果，時效的保溫時間一般不少于4h。

3.3 執行標準差異

作為馬氏體沉淀硬化不銹鋼，X6CrNiCu17-04的合金成分中，除鉻、鎳、銅外，應含有0.15～0.45%的鈮，而釩作為提高淬透性和硬度作用的合金元素，不應加入，如GB/T 1220中對應的05Cr17Ni4Cu4Nb，其Nb含量要求為0.15～0.45%。

在RCC-M英文版2000版和2007版，以及其間2002補遺和2005補遺的M5110中，對于X6CrNiCu17-04，均將化學成分鈮錯誤的寫為釩；在RCC-M 2012英文版中，才將該錯誤糾正為含釩。

據此可以得知，閥桿鋼棒斷裂失效的最根本原因是由于制造廠在嚴格按照RCC-M標準采購鋼棒時，因為標準錯誤，而導致該類鋼中本應該含鈮，卻變成了含釩。由于釩具有強烈的淬透和二次硬化作用，導致鋼棒的硬度遠大于規定值（如圖3），同時沖擊值明顯小于規定值（如表2）。

由于鈮的缺失，鋼中未能形成碳化鈮，且由于鋼棒表面溫度較高，使得表面金相組織中晶粒明顯長大；同時粗大的晶粒會使馬氏體轉變點變低，致使熱處理完成后，除馬氏體外，還包含少量殘余奧氏體和鐵素體。由于心部溫度相對較低，形成了均勻的馬氏體組織。

4 小結

（1）閥桿鋼棒斷裂失效的根本原因是由于在按照RCC-M M5110（2000版+2002補遺）采購時，由于標準的錯誤，導致鋼中本應該存在的鈮變成了釩，從而導致材料強度較高，沖擊韌性較差。

（2）由于鈮的缺失，另外鋼棒表面熱處理時溫度較高，使得表面區域的金相組織為殘余奧氏體+馬氏體+鐵素體；而心部由于熱處理時溫度相對較低，其金相組織為均勻的馬氏體組織。

【參考文獻】

[1]RCC-M，核島機械設備設計和建造規則[S].

[2]GB-T 4340 金屬維氏硬度試驗[S].

[3]班允吉，林慶選，羅揚，等.17-4PH鋼軋制棒材低溫冷沖擊性能的研究，材料熱處理技術，2009，38（12），40-43.

[4]鄒紅，王均，李聰，等.17-4PH不銹鋼350℃長期時效組織演化的透射電鏡觀察，核動力工程，2005，26（4）：397-401.

[5]張文華.不銹鋼及其熱處理[M].遼寧科學技術出版社，2010.