李心剛１,郭 凱１,翟新年２,黃進(jìn)財(cái)２

(１．大亞灣核電運(yùn)營(yíng)管理有限責(zé)任公司,深圳 ５１８０００;

２．中核深圳凱利核能服務(wù)有限公司,深圳 ５１８０００)

    摘 要:采用金相顯微鏡、掃描電鏡、X射線衍射儀等對(duì) Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴(kuò)散管在蒸汽疏水環(huán)境下的疲勞斷口特征進(jìn)行了研究.結(jié)果表明:與常見(jiàn)的疲勞裂紋常起源于外壁不同,在蒸汽疏水環(huán)境下的奧氏體不銹鋼擴(kuò)散管的疲勞裂紋起源于內(nèi)壁,裂紋源處存在明顯的氧化現(xiàn)象;裂紋附近的顯微組織中存在一定量的駐留滑移帶,疲勞條帶間距很窄,幾乎不存在瞬斷區(qū),屬于高周疲勞.

    奧氏體不銹鋼因其優(yōu)越的抗流動(dòng)加速腐蝕性能和焊接性能,廣泛應(yīng)用于核電廠及火電廠疏水系統(tǒng)的疏水閥下游通往凝汽器的管道和擴(kuò)散器等金屬部件[１Ｇ６].雖然奧氏體不銹鋼的性能優(yōu)越,但由于工作環(huán)境較為惡劣,疏水管道及管件開(kāi)裂的現(xiàn)象仍時(shí)有發(fā)生[７Ｇ８].目前關(guān)于不銹鋼管件在蒸汽疏水環(huán)境下的失效行為研究主要集中在管系的二次應(yīng)力問(wèn)題上.電廠運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明,疲勞開(kāi)裂也是蒸汽疏水系統(tǒng)疏水閥下游管件開(kāi)裂的主要原因之一.間斷的高溫疏水流對(duì)金屬管件造成冷熱交替循環(huán),尤其是當(dāng)發(fā)生間斷性的閃蒸相變時(shí)易引發(fā)疲勞開(kāi)裂[９Ｇ１２].關(guān)于奧氏體不銹鋼管件在蒸汽疏水環(huán)境下的疲勞開(kāi)裂尚無(wú)深入研究,筆者以Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴(kuò)散管為研究對(duì)象,對(duì)其典型疲勞斷口和裂紋進(jìn)行了綜合分析,深入研究了其在蒸汽疏水環(huán)境下的疲勞開(kāi)裂特征.

１ 試驗(yàn)材料與試驗(yàn)方法

１．１ 試驗(yàn)材料

    Z６CNT１８Ｇ１０奧氏體不銹鋼擴(kuò)散管的化學(xué)成分如表１所示,其顯微組織形貌如圖１所示,可見(jiàn)其為典型的奧氏體并伴有孿晶.該不銹鋼擴(kuò)散管的蒸汽疏水溫度為１４５ ℃,上游壓力為０．３５ MPa,下游為真空.

１．２ 試驗(yàn)方法

    采用 TESCANVEGATS５１３６XM 掃描電子顯微鏡 (SEM)、EDAX GENESIS２０００XＧRay 能 譜 儀(EDS)進(jìn)行微觀分析;采用ZEISSAXIOVERT２００MAT 研究級(jí)倒置萬(wàn)能金相顯微鏡進(jìn)行金相分析;

采用 PANalyticalX’PERTPRO 型 X 射線衍射儀(XRD)進(jìn)行物相分析.

２ 試驗(yàn)結(jié)果與討論

２．１ 斷口形貌

    圖２ 是 擴(kuò) 散 管 兩 典 型 疲 勞 斷 口 裂 紋 源 區(qū) 的SEM 形貌.從圖２可以看出,裂紋起源于擴(kuò)散管內(nèi)表面而非通常疲勞起裂的外表面,裂紋萌生后呈發(fā)散性擴(kuò)展.圖２a)為其中一個(gè)斷口的 SEM 形貌,可見(jiàn)該裂紋源區(qū)已被磨平,無(wú)法觀察到裂紋初始萌生時(shí)的具體形貌特征.圖２b)為另一個(gè)斷口的 SEM 形貌,可見(jiàn)裂紋源區(qū)存在一條過(guò)載線,這表明裂紋在萌生后并非一直擴(kuò)展,在某個(gè)時(shí)期經(jīng)歷環(huán)境突然變化時(shí)才繼續(xù)向前擴(kuò)展.這應(yīng)該與當(dāng)疏水流過(guò)時(shí)材料發(fā)生相變,造成體積膨脹和管件內(nèi)壁溫度變化有關(guān).

    圖３為斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)的 SEM 形貌.從圖３可以看出,在裂紋擴(kuò)展區(qū)有明顯的呈簇狀的疲勞條帶,在一個(gè)相對(duì)較大的范圍內(nèi)會(huì)存在多簇不同方向的疲勞條帶,但大致方向均垂直于主裂紋擴(kuò)展方向.

    從疲勞條帶的放大形貌可以看出,所有相鄰條帶之間的間距均不大于１μm,一般在數(shù)百納米左右.疲勞條帶的間距一般代表裂紋在一個(gè)循環(huán)周次的擴(kuò)展距離,間距越大代表裂紋擴(kuò)展速率越快,圖３中的疲勞條帶間距較小,呈典型高周疲勞特征.另外除裂紋源區(qū)外,幾乎都是擴(kuò)展區(qū),瞬斷區(qū)面積很小,幾乎未發(fā)現(xiàn).這說(shuō)明此環(huán)境下造成材料疲勞的應(yīng)力很低,不存在裂紋擴(kuò)展到最后階段發(fā)生過(guò)載斷裂的情況.需要說(shuō)明的是,清洗前的斷口表面存在大量黑色顆粒狀氧化物,疲勞條帶被覆蓋,斷口在觀察前均用檸檬酸清洗１０ min,以去除斷口表面的氧化物.表２為未清洗斷口的 EDS分析結(jié)果,可見(jiàn)氧含量達(dá)到２０％(質(zhì)量分?jǐn)?shù)).圖４所示為斷口表面氧化層的 XRD譜,可以看出黑色顆粒狀氧化物為 Fe３O４.這說(shuō)明在蒸汽疏水環(huán)境下由于高溫且氧含量很低,在較長(zhǎng)的裂紋擴(kuò)展時(shí)間內(nèi),因裂紋擴(kuò)展而露出的新鮮不銹鋼表面與高溫低氧水發(fā)生化學(xué)反應(yīng),表面生成了黑色氧化物 Fe３O４.

２．２ 裂紋分析

圖５所示 為 未 完 全 斷 開(kāi) 區(qū) 域 裂 紋 的 形 貌,從圖５可以 看 出,裂 紋 走 向 平 直,穿 晶 擴(kuò) 展,無(wú) 二 次裂紋萌 生,這 些 裂 紋 長(zhǎng) 度 較 大,即 將 貫 穿 整 個(gè) 管件.此外,在 開(kāi) 裂 管 件 附 近 的 顯 微 組 織 中 發(fā) 現(xiàn) 大量駐留滑移 帶,這 些 滑 移 帶 的 形 成 應(yīng) 歸 因 于 循 環(huán)的周期應(yīng)力 反 復(fù) 加 載,導(dǎo) 致 奧 氏 體 不 銹 鋼 發(fā) 生 塑性變形,隨著 塑 性 變 形 的 反 復(fù) 累 加 最 終 形 成 滑 移

帶,如圖６所示.

２．３ 討論

    如前所述,該擴(kuò)散管內(nèi)流經(jīng)１４５ ℃,０．３５MPa的疏水,下游為真空.當(dāng)疏水間斷性流至擴(kuò)散管時(shí),會(huì)迅速降壓,發(fā)生閃蒸,液相變成氣相,相變?cè)斐审w積迅速膨脹.閃蒸的發(fā)生會(huì)給擴(kuò)散管內(nèi)壁帶來(lái)局部沖擊.擴(kuò)散管內(nèi)流體為蒸汽和廢氣的混合疏水,其流量和溫度會(huì)隨機(jī)組功率和上游狀態(tài)的變化而變化.該變化是擴(kuò)散管發(fā)生疲勞效應(yīng)的因素,因此表現(xiàn)在材料上,

    引發(fā)的是內(nèi)壁起裂而非通常的外壁起裂.一般情況下,金屬的疲勞破壞大致分為疲勞裂紋萌生、疲勞裂紋擴(kuò)展和失穩(wěn)斷裂３個(gè)階段疲勞

    裂紋萌生是整個(gè)過(guò)程最重要的階段,一般是由應(yīng)力集中引起的,常見(jiàn)的裂紋萌生方式包括滑移帶開(kāi)裂,晶界或?qū)\晶界開(kāi)裂,夾雜物、相界或第二相與基體的界面開(kāi)裂.其中,滑移帶開(kāi)裂是材料疲勞裂紋萌生最為常見(jiàn)的方式.滑移帶的形成一般需經(jīng)歷３個(gè)過(guò)程:首先是由于材料塑性變形未發(fā)生回復(fù),產(chǎn)生滑移線;隨著滑移線的不斷增多與積累,形成滑移帶;當(dāng)加載周期不斷增多時(shí),滑移帶會(huì)因位錯(cuò)、層錯(cuò)等微觀缺陷的逐漸積累而無(wú)法回復(fù),并最終形成駐留滑移帶.駐留滑移帶在金屬表面或內(nèi)部駐留下來(lái),無(wú)法通過(guò)拋光等方法消除;相反地,一般的滑移帶能用機(jī)械拋光、電解腐蝕等方法消除.

    疲勞裂紋往往萌生于這些駐留滑移帶發(fā)生應(yīng)力集中處,一旦駐留滑移帶在材料中大量形成,疲勞裂紋萌生的可能性將大大增加[１３Ｇ１５].在該開(kāi)裂擴(kuò)散管中,已開(kāi)裂裂紋附近發(fā)現(xiàn)了大量的駐留滑移帶,這些滑移帶的形成就是裂紋潛在的裂紋源區(qū),而已形成的裂紋應(yīng)是滑移帶形成最為嚴(yán)重的區(qū)域.疲勞裂紋的擴(kuò)展過(guò)程按裂紋擴(kuò)展的形態(tài)可以分為兩個(gè)階段.裂紋擴(kuò)展的第一階段在斷口上留下痕跡較少或不明顯,而第二階段往往在斷口上留下河流樣的平行帶狀花紋,即“疲勞條帶”,在疲勞斷口上可以通過(guò)比較相鄰疲勞條帶之間的間距來(lái)判斷裂紋擴(kuò)展速度的大小,間距越大,裂紋擴(kuò)展越快.該開(kāi)裂擴(kuò)散管斷口觀察到的疲勞條帶間距均不超過(guò)１μm,一般僅為數(shù)百納米,說(shuō)明該擴(kuò)散管的疲勞特征屬典型的高周疲勞.

３ 結(jié)論

    與常見(jiàn)的振動(dòng)疲勞裂紋常起源于外壁不同,在蒸汽疏水環(huán)境下 Z６CNT１８Ｇ１０ 奧氏體不銹鋼擴(kuò)散管的疲勞裂紋起源于內(nèi)壁,斷口起源處存在明顯的氧化現(xiàn)象.裂紋附近的顯微組織中存在一定量的駐留滑移帶;疲勞條帶間距很窄,幾乎不存在瞬斷區(qū),屬高周疲勞.

（文章來(lái)源：材料與測(cè)試網(wǎng)-理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè) > 2019年 > 5期 > pp.294）