靳博穎，楊寶齊，趙健明

（衡陽華菱鋼管有限公司，湖南 衡陽421001）

某批次6支規(guī)格為Φ530 mm×55 mm、鋼號為45鋼、執(zhí)行GB/T 8162—2008《結構用無縫鋼管》的鋼管加工成液壓油缸后，在進行液壓試驗時，其中1支液壓油缸缸體在升壓至18 MPa時發(fā)生異常爆裂。該類液壓油缸設計試驗壓力為20 MPa，穩(wěn)壓時間不少于5 s。由于該類液壓油缸缸體在試壓過程發(fā)生爆裂現(xiàn)象極為罕見，現(xiàn)取樣分析爆裂發(fā)生的原因。

爆裂油缸形貌及取樣如圖1所示：爆裂油缸主裂縫貫穿壁厚，沿長度方向彎曲擴展，在焊接耳環(huán)附近張開最寬；裂縫在油缸端部呈人字形擴展，導致一塊呈V型整體掉落?，F(xiàn)場按圖1所示位置取樣并進行分析，1號樣品取自裂縫張開最寬處，2號樣品呈V型，是從油缸端部整塊掉落的。

1 試驗與分析

1.1 宏觀觀察分析

現(xiàn)場觀察發(fā)現(xiàn)，整支爆裂油缸未發(fā)現(xiàn)有明顯鼓脹現(xiàn)象；查驗現(xiàn)場試驗記錄及試驗曲線，未有超壓等操作失誤現(xiàn)象，證明該油缸液壓試驗過程正常。

對所取樣品的斷口進行觀察，1號樣品宏觀形貌如圖2所示，由此可見：斷面平齊，呈銀灰色，有結晶顆粒，無明顯塑性變形，為典型的脆性斷口［1-4］；斷口上有放射狀條紋，放射狀條紋的左右收斂點為焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域，并從此處呈現(xiàn)向外發(fā)散的特征，該放射性條紋指向外壁附近的月牙形斷口位置［5］，此處為裂紋源區(qū)，月牙形斷口表面光滑，寬約5 mm，深約2 mm。

圖1 爆裂油缸及取樣示意

圖2 1號樣品斷面上的裂紋收斂方向和裂紋源形貌

因此可推斷，裂紋源位于爆裂油缸外表面的焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域。

2號樣品斷面上的裂紋收斂方向如圖3所示，斷面平直，呈灰色，無金屬光澤，表面粗糙且凹凸不平，存在層次起伏的條帶，無明顯塑性變形，同樣為脆性斷口，從該斷面上的裂紋收斂形貌可判定該處為裂紋擴展區(qū)。

圖3 2號樣品斷面上的裂紋收斂方向

1.2 電鏡觀察分析

切取裂紋源區(qū)并用酒精清洗后，放入掃描電鏡進行觀察，裂紋源區(qū)掃描電子顯微鏡SEM形貌如圖4所示，其中裂紋源區(qū)低倍形貌如圖4（a）所示，該區(qū)域呈月牙形；其內外的斷口形貌存在明顯差異，區(qū)域內相對平整，晶粒較細，10～20μm，如圖4（b）所示；裂紋源外層解理形貌如圖4（c）所示，呈冰糖狀，晶粒相對粗大，20～80μm，呈現(xiàn)出沿晶解理脆性斷口特征，晶粒大小不均勻。裂紋擴展區(qū)形貌如圖5所示，存在“河流花樣”特征，為穿晶解理斷口［6］，晶粒較為粗大，40～80μm。

圖4 1號樣品裂紋源區(qū)SEM形貌

1.3 金相分析

在2號樣品上取樣做金相觀察，基體金相組織如圖6所示，顯微組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，存在混晶現(xiàn)象，晶粒粗大的有4.0～4.5級。

從1號樣品的裂紋源處切開，沿橫截面觀察金相組織，裂紋源區(qū)附近的顯微組織如圖7所示，裂紋源區(qū)附近組織異常，為馬氏體，對應圖2所示宏觀觀察到的月牙形位置，外層為鐵素體和珠光體，晶粒不均勻，存在混晶，晶粒尺寸10～80μm，最大晶粒超過150μm。

圖6 2號樣品基體金相組織

1.4 力學性能和化學成分分析

在2號樣品上取樣進行化學成分分析和機械性能檢驗，結果見表1～2，樣品技術要求對材料沖擊韌性不做要求，其測試結果較低。

圖7 1號樣品裂紋源區(qū)附近的顯微組織

表1 2號樣品化學成分（質量分數(shù)）分析結果 %

表2 2號樣品機械性能檢驗結果

2 分析與討論

樣品的力學性能結果和化學成分分析結果均符合GB/T 8162—2008標準的要求［6］。

宏觀分析結果表明：油缸爆裂斷口為脆性斷口，裂紋起源于油缸外表面焊接耳環(huán)附近的弧形區(qū)域。金相分析表明：裂紋源位置組織異常，為馬氏體組織，且晶粒粗細不均。掃描電鏡分析結果表明：裂紋源區(qū)斷口形貌為沿晶+少量解理。綜合后分析認為，所送樣品發(fā)生脆性開裂的原因如下：

（1）焊接后未及時進行去應力退火處理或去應力退火不到位，導致焊接后形成焊接裂紋，成為裂紋源；

耳環(huán)焊接后，隨著焊縫冷卻，會在其附近產(chǎn)生收縮應力，由于馬氏體組織硬度高、塑性差，在收縮應力作用下，易形成應力集中并產(chǎn)生微裂紋，收縮應力隨著焊縫溫度下降而增加，微裂紋數(shù)量不斷增加且持續(xù)擴展，最終形成裂紋源［7］；

裂紋源區(qū)組織為馬氏體組織，且存在晶粒不均勻的現(xiàn)象，因此認為，該處組織為焊接后的重結晶組織，且未經(jīng)過去應力退火處理。45鋼屬于中碳鋼，重結晶后獲得的馬氏體組織具有較高的殘余應力，如不及時進行退火處理，將容易引發(fā)焊接裂紋［5］。

（2）由于缸體外表面存在焊接裂紋，導致缸體在水壓過程中發(fā)生低應力脆性開裂。

（3）爆裂的45鋼管為熱軋態(tài)，其晶粒較粗大，因而材料本身抵抗裂紋擴張的能力較弱［7-8］；改為正火態(tài)交貨，將會對此現(xiàn)象有所改善［9-11］。

現(xiàn)場調查發(fā)現(xiàn)，按要求應對該批次6支鋼管進行正火處理，但其中1支鋼管未經(jīng)正火處理，后續(xù)相同加工條件下，5支鋼管經(jīng)水壓試驗檢驗均已合格，投入使用后運轉未見異常。由此推測，發(fā)生爆裂的鋼管應是未能正火處理的那支管。

3 結論和建議

3.1 結 論

（1）所送45鋼液壓油缸缸體的力學性能結果和化學成分分析結果均符合GB/T 8162—2008標準的要求；

（2）45鋼液壓油缸缸體外表面存在焊接裂紋是導致缸體在進行水壓過程中發(fā)生脆性開裂的原因；

（3）對液壓油缸缸體進行焊接加工后，未及時進行去應力退火處理或去應力退火不到位，是導致焊接后形成焊接裂紋的直接原因；

（4）嚴格執(zhí)行技術要求，采用正火處理細化晶粒，提高材料本身抵抗裂紋擴張的能力。

3.2 建 議

（1）嚴格控制現(xiàn)場的焊接工藝，焊接后及時進行去應力退火；

（2）增加有效的焊后無損檢測措施，杜絕缺陷產(chǎn)品進入下道工序；

（3）確保所有鋼管正火態(tài)交貨。