鋼鐵化學(xué)成分分析精選(五篇)

序言：作為思想的載體和知識的探索者，寫作是一種獨(dú)特的藝術(shù)，我們?yōu)槟鷾?zhǔn)備了不同風(fēng)格的5篇鋼鐵化學(xué)成分分析，期待它們能激發(fā)您的靈感。

篇1

關(guān)鍵詞：鋼材；化學(xué)成分分析；允許偏差

鋼材是一種應(yīng)用范圍十分廣泛的材料。由于鋼材的質(zhì)量對人們的生活具有十分重要的影響，對鋼材的性能必須進(jìn)行全方位的把握。當(dāng)前我國已經(jīng)針對鋼材檢測方面提出了相應(yīng)的規(guī)范，對整個(gè)鋼鐵化學(xué)成分分析的過程進(jìn)行規(guī)定，做到每個(gè)分析數(shù)值都有對比值。通過大量的操作實(shí)踐得出最為常用的兩種鋼鐵分析方法是成分分析法和熔煉分析法，這兩種方法在操作過程上以及分析的數(shù)值都存在著一定的差異。成分分析法的數(shù)值在規(guī)定的范圍內(nèi)，而熔煉分析法的數(shù)值則可能會超出標(biāo)準(zhǔn)，針對這種情況，就在規(guī)定中設(shè)置了一個(gè)允許數(shù)值，也可以稱之為允許偏差。

1鋼材化學(xué)成分分析允許偏差簡析

對于鋼材化學(xué)成分分析，主要包括“熔煉分析”與“成品分析”兩種，其中GB699《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼技術(shù)條件》與GB700《碳素結(jié)構(gòu)鋼》等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定鋼材的化學(xué)成分由熔煉分析獲取。而所謂的熔煉分析，即在鋼材澆注過程中采取樣錠，并對其進(jìn)行化學(xué)分析，最終獲取的分析結(jié)果主要表明同一爐或者同一罐鋼液的平均化學(xué)成分。另外成品分析則是指在經(jīng)過加工后的成品鋼材上進(jìn)行取樣，并對樣品進(jìn)行分析。但是因?yàn)殇摬脑诩庸ぬ幚磉^程中，鋼液結(jié)晶時(shí)產(chǎn)生的元素排布并不均勻，最終會導(dǎo)致成品分析與熔煉分析結(jié)果存在一定差異。一般情況下當(dāng)熔煉分析值在規(guī)定范圍內(nèi)時(shí)，成品分析因?yàn)榻Y(jié)晶環(huán)節(jié)影響最終分析值要大于標(biāo)準(zhǔn)值，這就需要對超出的范圍進(jìn)行一定的規(guī)定，則為允許偏差。新標(biāo)準(zhǔn)的出現(xiàn)規(guī)定成品分析可以代替熔煉分析，主要應(yīng)用在未取得熔煉分析試樣或者熔煉分析試樣不正確導(dǎo)致分析結(jié)果不可靠的情況下，并且成品分析結(jié)果要負(fù)荷熔煉成分規(guī)定。

2鋼材化學(xué)成分分析允許偏差應(yīng)用分析

我們根據(jù)大量的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行總結(jié)，下面就對鋼材化學(xué)成分分析的允許偏差進(jìn)行分析，具體包括以下幾個(gè)方面。

2.1允許偏差規(guī)定變化

隨著生產(chǎn)技術(shù)水平的不斷提高，鋼材化學(xué)成分分析的允許偏差值也隨之發(fā)生了變化，相關(guān)的規(guī)定也會根據(jù)外界環(huán)境的變化以及生產(chǎn)實(shí)際需求的變化做出修訂。新標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定對允許偏差值進(jìn)行了不同程度的修改。主要體現(xiàn)在元素化學(xué)成分分檔與允許偏差值發(fā)生變化，其中非合金鋼與低合金鋼中C、P、Ti等元素允許偏差規(guī)定有了變化，而對合金鋼中允許偏差的規(guī)定變化比較大，其中對C、Mn、Si、Ni、Cr等元素允許偏差都存在較大的變化。而對于不銹鋼與耐熱鋼等允許偏差規(guī)定變化比較小，只對少數(shù)元素規(guī)定發(fā)生了變化。從整體上來看，無論是針對哪種鋼材的允許偏差值進(jìn)行改變，修改后允許偏差值都要小于修改前數(shù)。

2.2成品分析取樣原則

對鋼鐵成品的取樣需要按照相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，主要遵循代表性取樣原則。通常來講，在選取樣品時(shí)，應(yīng)該查看所選取的樣品是否是同一個(gè)熔爐內(nèi)的，如果不是需要按照相應(yīng)的號碼進(jìn)行標(biāo)記。取樣位置盡量選擇在鋼材的橫截面位置，如果沒有橫截面，那么需要對鋼材外表面的垂直中心位置進(jìn)行取樣，對于大型的鋼材則需要選擇鋼坯軸心的位置。通過合理的取樣過程就能夠避免因?yàn)椴煌恢玫幕瘜W(xué)元素對檢測結(jié)果的影響，減少了取樣檢測的誤差。此外，由于取樣的時(shí)候可能會對操作人員的安全造成威脅，所以必須做好個(gè)人的防護(hù)工作，同時(shí)也應(yīng)該保證設(shè)備以及檢測儀器的安全。我國相關(guān)的檢測標(biāo)準(zhǔn)已經(jīng)對操作人員的安全問題進(jìn)行了詳細(xì)的規(guī)定，生產(chǎn)單位需要給人員提供相應(yīng)的檢測服裝，避免在取樣以及檢測的過程中給人員造成身體上的損害，根據(jù)實(shí)際情況選擇是否采取呼吸方面的防護(hù)措施。總之，檢測的整個(gè)過程都應(yīng)該嚴(yán)格地按照國家規(guī)定進(jìn)行。此外，在做完化學(xué)成分分析之后，可能會引起質(zhì)量上的糾紛問題，為了公平起見，就需要仲裁試驗(yàn)。檢測部門應(yīng)該提供化學(xué)成分分析結(jié)果的相關(guān)依據(jù)，并且整個(gè)檢測的過程都需要由參與檢測的雙方共同來完成，在制作的過程中使用到的檢測器具必須經(jīng)過雙方檢查確認(rèn)之后才能使用，而且對于檢測的試樣需要一起封存，每一步驟的檢測結(jié)果都需要雙方認(rèn)可之后才能進(jìn)行下一步計(jì)算，同時(shí)一起把檢測試樣封存起來。檢測完成之后，把試樣以及檢測設(shè)備都交給第三方負(fù)責(zé)人來保存。這些都體現(xiàn)出了新標(biāo)準(zhǔn)中仲裁公平性原則。

2.3準(zhǔn)確使用化學(xué)成分允許偏差表

在新出臺的規(guī)定中已經(jīng)提出了鋼材化學(xué)成分檢測分析的允許偏差，在具體檢測的過程中應(yīng)該盡量保證測試結(jié)果的誤差值在這個(gè)范圍內(nèi)。在使用的時(shí)候需要注意以下幾方面。第一，針對同一種類鋼材的化學(xué)成分分析的允許值只能參考同一個(gè)表，不能多個(gè)表混合參考。第二，盡量保證鋼材化學(xué)成分分析所得的值接近允許偏差值范圍的上限，這樣能夠減少誤差值給試驗(yàn)造成的不良影響。例如某一優(yōu)質(zhì)碳素鋼成品分析碳含量檢測值為0.52%，顯示檢驗(yàn)結(jié)果為合格，應(yīng)確定此項(xiàng)化學(xué)成分在優(yōu)質(zhì)碳素鋼中規(guī)定的最小范圍，經(jīng)驗(yàn)證后得出碳含量單位為0.42~0.50%，證明此鋼材含碳量已經(jīng)超出最大范圍，判斷結(jié)果不能成立。但是在查找對應(yīng)允許偏差表后，得到規(guī)定化學(xué)成分范圍≤0.50%優(yōu)質(zhì)碳素鋼上偏差為0.01%，則此材料碳含量0.52%＞0.50%+0.01%，不符合標(biāo)準(zhǔn)。但是在實(shí)際檢驗(yàn)過程中，存在部分檢驗(yàn)人員，在檢測出碳含量為0.52%后，就以此數(shù)值來查表，而0.52%＞0.50%，按照此數(shù)值對應(yīng)的允許偏差為0.02%，最終得出此鋼材碳含量為0.52%=0.50%+0.02%符合標(biāo)準(zhǔn)要求結(jié)論，影響材料檢驗(yàn)結(jié)果的準(zhǔn)確性。

3結(jié)束語

通過對鋼材進(jìn)行化學(xué)分析能夠得到相關(guān)的數(shù)據(jù)，幫助我們更好地了解鋼鐵生產(chǎn)的情況。由于分析的方法不同，所以分析結(jié)果得出的數(shù)據(jù)就不相同，所以我們能夠合理運(yùn)用允許偏差。根據(jù)大量的生產(chǎn)實(shí)踐并結(jié)合相關(guān)的理論知識，通過對允許偏差的細(xì)致分析，能夠了解鋼材在生產(chǎn)的過程中發(fā)生了怎樣的變化，并根據(jù)實(shí)際的需求來更正這種變化，進(jìn)一步提高鋼鐵生產(chǎn)質(zhì)量，得到質(zhì)量合格的鋼鐵。

參考文獻(xiàn)

[1]劉新華，李龍春，李平.淺議鋼材化學(xué)成分分析中的允許偏差[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2005，5：32.

[2]王開遠(yuǎn).鋼的成品化學(xué)分析允許偏差及試樣制取方法新標(biāo)準(zhǔn)[J].機(jī)械工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)化與質(zhì)量，2008，5：33-37.

篇2

關(guān)鍵詞：鋼渣 生產(chǎn)廠家 化學(xué)成分 礦物組成

中圖分類號：TG115 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1672-3791（2014）09（a）-0094-02

鋼渣是煉鋼的副產(chǎn)品，每生產(chǎn)1噸鋼可產(chǎn)生0.15～0.20 t鋼渣。我國是世界第一大產(chǎn)鋼國，2008年我國鋼渣年產(chǎn)量已達(dá)5000多萬噸，積存鋼渣已有2億多噸[1]。在國外一些發(fā)達(dá)國家，鋼渣的綜合利用已接近或達(dá)到排用平衡，而我國鋼渣的綜合利用率約為40%[2]。大量堆積的鋼渣，不僅污染了環(huán)境，也造成了巨大的資源浪費(fèi)。

制約鋼渣大宗利用的關(guān)鍵問題是：鋼渣中含有一定量的高溫煅燒的f-CaO、方鎂石和RO相，這些組分在水泥硬化后能繼續(xù)與水發(fā)生水化反應(yīng)，從而使固相體積增大97%和218%[3，4]，造成構(gòu)件的膨脹開裂。

本文以不同廠家、不同粒徑及不同顏色的鋼渣為研究對象，通過對比方法，研究了鋼渣化學(xué)成分和礦物組成的變化規(guī)律。

1 試驗(yàn)原材料和試驗(yàn)方法

1.1 原材料

鋼渣分別取自武鋼、邯鋼、湘鋼和韶鋼四個(gè)鋼廠，為經(jīng)過破碎磁選的尾渣，其中武鋼和邯鋼的鋼渣為轉(zhuǎn)爐自然冷卻渣（簡稱自然渣），另外兩種渣為經(jīng)熱潑工藝處理的轉(zhuǎn)爐鋼渣（簡稱為熱潑渣）。鋼渣取回后剔除大于9.5 mm的顆粒，曬干并經(jīng)人工選鐵后，裝袋備用。

1.2 試驗(yàn)方法

X射線熒光光譜分析：利用初級X射線光子激發(fā)待測物質(zhì)中的原子，使之產(chǎn)生熒光（次級X射線）而進(jìn)行物質(zhì)成分分析和化學(xué)態(tài)研究的方法。當(dāng)原子受到X射線光子（原級X射線）的激發(fā)使原子內(nèi)層電子電離而出現(xiàn)空位，原子內(nèi)層電子重新配位，較外層的電子躍遷到內(nèi)層電子空位，并同時(shí)放射出次級X射線光子，此即X射線熒光。較外層電子躍遷到內(nèi)層電子空位所釋放的能量等于兩電子能級的能量差，X射線熒光的波長對不同元素是特征的。因此，采用粉末壓片法，用AXiOS advanced波長色散型X射線熒光光譜儀對鋼渣等原材料進(jìn)行化學(xué)成分分析。

XRD-X射線衍射法：利用XRD對鋼渣礦物相進(jìn)行定性分析。用瑪瑙研缽在無水乙醇中將鋼渣試樣研細(xì)至0.063 mm以下，壓入樣品凹槽內(nèi)，采用日本理光（Rigaku）公司生產(chǎn)的D/MAX-IIIA型X射線衍射儀進(jìn)行測試，儀器參數(shù)為：銅耙（Cu K a），石墨單色器濾波，加速電壓為37.S kV，電流為40 mA，最大功率3 kW。

2 試驗(yàn)結(jié)果和分析

運(yùn)用XRF分析測試技術(shù)，分析了四個(gè)廠家鋼渣的化學(xué)成分，見表1。

從表1中可以看到，四種鋼渣的主要化學(xué)成分是CaO、SiO2、FeO/Fe2O3和MgO，占總量80%以上，四種鋼渣的CaO含量在40%左右，SiO2含量在10%～18%，氧化鐵的含量在20%左右，F(xiàn)eO的含量均在10%～15%之間，相差不大，但是MnO含量相差較大，最小為武鋼鋼渣的1.24%，最大是韶鋼鋼渣高達(dá)3.3%，兩者相差超過170%；武鋼自然渣的MgO含量最高，高達(dá)10.88%，而其它三種鋼渣的含量相差不大，都在5%～6%之間。此外還有少量的Al2O3和P2O5等，P2O5含量在1%～2%，Al2O3含量相差較大，湘鋼鋼渣砂的高達(dá)5.55%，而韶鋼的僅為1.57%。

分別選取四種鋼廠的鋼渣試樣進(jìn)行XRD測試，測試結(jié)果見圖1。

分析可見，四種鋼渣的主要礦物成分較相似，主要礦物是Ca（OH）2、CaCO3、C3S、C2S、C2F和RO相，RO相為FeO、MgO和MnO形成的連續(xù)固溶體。從XRD衍射峰強(qiáng)對比分析可知，武鋼鋼渣中的Ca（OH）2量最少，CaCO3量較多；湘鋼中Ca（OH）2量最多，CaCO3量較少；邯鋼中的Ca（OH）2和CaCO3量均不多；韶鋼中的Ca（OH）2和CaCO3均較多。Ca（OH）2和CaCO3屬低溫礦物，是鋼渣在水冷卻和存放過程中f-CaO水化或水化產(chǎn)物碳化生成的。

具有潛在水硬活性的礦物主要是C3S和C2S，由于兩者的衍射峰重疊較多，不易區(qū)分相對數(shù)量。湘鋼鋼渣中Al2O3組分較多，因而其XRD射中可見鐵鋁酸四鈣的特征衍射峰。

3 結(jié)論

從上述研究中，可得出以下結(jié)論：不同生產(chǎn)廠家鋼渣的化學(xué)成分主要是Ca（OH）2、CaCO3、C3S、C2S、C2F和RO相；礦物組成也基本相似。不同廠家鋼渣的化學(xué)成分和礦物的含量存在差異。

參考文獻(xiàn)

[1] 朱桂林，孫樹杉.加快鋼鐵渣資源化利用是鋼鐵企業(yè)的一項(xiàng)緊迫任務(wù)[J].中國廢鋼鐵，2006，12（6）：33-42.

[2] 朱桂林.中國鋼鐵工業(yè)固體廢物綜合利用的現(xiàn)狀和發(fā)展[J].中國廢鋼鐵，2003，9（3）：34-41.

篇3

【關(guān)鍵詞】加法再制造；連桿；檢驗(yàn)鑒定

再制造機(jī)械產(chǎn)品加工技術(shù)門類十分廣泛，大體可分為三類：第一類是加法再制造，即在零件表面添加一層材料，覆蓋由于磨損、腐蝕等造成的材料表面缺陷，以獲得所需的材料表面性能，常用到的表面處理技術(shù)有高速電弧噴涂技術(shù)、納米復(fù)合電刷鍍技術(shù)以及微脈沖冷焊技術(shù)等；第二類是減法再制造，即對舊零件幾何尺寸進(jìn)行修正，去除表面的損傷部分，然后換用相應(yīng)尺寸的零件重新配合；第三類是替換法再制造，即把已損件用新品替換。再制造產(chǎn)品進(jìn)入中國市場和中國的再制造技術(shù)產(chǎn)品進(jìn)入國際市場是必須面對的課題，如何對再制造機(jī)械產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)鑒定顯得至關(guān)重要。加法再制造機(jī)械產(chǎn)品的特征是：其配合接觸面不是新的機(jī)械加工面，沒有金屬光澤，而工作面是經(jīng)過機(jī)械加工的新表面，它的尺寸沒有發(fā)生變化，但工作面的化學(xué)成分發(fā)生了變化，從而會進(jìn)一步引起顯微組織和表面硬度也發(fā)生變化，因而可以采用化學(xué)成分分析、金相檢驗(yàn)和硬度檢測等方法對加法再制造產(chǎn)品加以鑒別。筆者以經(jīng)過電刷鍍鎳處理的50Cr鋼汽車連桿為例，對加法再制造機(jī)械產(chǎn)品的檢驗(yàn)鑒定方法進(jìn)行了探討。

一、試樣制備與試驗(yàn)方法

加法再制造所用試樣為某公司生產(chǎn)的卡車用50Cr鋼連桿。在長期的服役過程中，該連桿的大圓端與曲軸相連，由于長時(shí)間的摩擦，使得大圓端內(nèi)孔表面發(fā)生磨損。首先對連桿的大圓端內(nèi)孔進(jìn)行預(yù)處理，包括表面修整、表面清潔、電凈處理和活化處理；隨后采用特定的工藝對其進(jìn)行電刷鍍技術(shù)修復(fù)，分別通過化學(xué)成分分析法、金相檢驗(yàn)法和硬度檢測法對連桿的表面鍍層進(jìn)行分析。在化學(xué)成分分析法中，采用X熒光分析儀和移動(dòng)式直讀光譜儀分別對表面和基體的化學(xué)成分進(jìn)行檢測；金相檢驗(yàn)法則是將小塊剖面試樣鑲嵌、磨拋后通過MM6光學(xué)顯微鏡進(jìn)行截面形貌觀察；硬度檢測法是將拋光后的金相試樣用MH-3型顯微硬度計(jì)進(jìn)行測試，載荷為0.098 N，以試樣最表面為起點(diǎn)，向基體內(nèi)部逐點(diǎn)測試，至硬度趨于平穩(wěn)。

二、試驗(yàn)結(jié)果與討論

（一）化學(xué)成分分析法

對經(jīng)過電刷鍍處理的卡車用50Cr鋼連桿大圓端內(nèi)孔表層的鍍層進(jìn)行X熒光分析，結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%，下同）如下： 1. 0Co，87. 52Ni，1. 16Cu，0.08Mo和0.22Pb。磨去表面鍍層后，對連桿基體的化學(xué)成分進(jìn)行直讀光譜檢測，結(jié)果如下：0.48C，0. 34Si， 0. 026S， 0. 017P， 1. 08Cr， 0. 71Mn和0.11Ni。對比可以發(fā)現(xiàn)，連桿大圓端內(nèi)孔表層的主要元素成分為鎳，而連桿基體中的鎳含量非常低，兩者存在很大的差別，這與采用以鎳為主的電鍍液有關(guān)，連桿大圓端內(nèi)孔表層經(jīng)過電刷鍍技術(shù)修復(fù)，其面形成了一層比較耐磨的鎳基合金層，經(jīng)機(jī)械加工到原來的尺寸后，換上新的內(nèi)襯，連桿的加法再制造就完成了。因此在了解了機(jī)械零件的配合接觸面和工作面的表面情況及尺寸變化的基礎(chǔ)上，結(jié)合采用化學(xué)成分分析法就可以方便地鑒別出該零件是否經(jīng)過了加法再制造處理。

（二）金相檢驗(yàn)法

由顯微鏡可以看到，上部灰色部分為連桿基體顯微組織，而下部的白亮金屬層就是電刷鍍鎳層，平均厚度在40Lm左右，最厚處可達(dá)到70Lm，該鍍鎳層與連桿基體的組織和性能完全不同。在基體的表面形成一層新的金屬耐磨層，不但可以修復(fù)舊的零件，而且還可以提高零件的耐磨性。由此可見，在了解了機(jī)械零件的配合面和工作面的表面情況及尺寸變化的基礎(chǔ)上，采用金相檢驗(yàn)法同樣可以檢測出零件是否經(jīng)過了加法再制造。

（三）硬度檢測法

連桿大圓端內(nèi)孔表面電刷鍍鎳層的硬度高達(dá)1 000 HV左右，明顯高于基體的硬度400 HV，并且表層與基體之間有比較好的過渡。由此可見，在了解了機(jī)械零件的配合面和工作面的表面情況及尺寸變化的基礎(chǔ)上，硬度檢測法也可以作為鑒別加法再制造產(chǎn)品的一種參考方法。

（四）三種方法的結(jié)合使用

鑒于上述三種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，如能將其結(jié)合使用，便可以更加準(zhǔn)確地對產(chǎn)品是否經(jīng)過了加法再制造進(jìn)行評判。例如上述金相檢驗(yàn)法的測試結(jié)果顯示鍍層最厚處可達(dá)到70Lm，與硬度檢測法的檢測結(jié)果相吻合，因此將兩者結(jié)合可以更加肯定該產(chǎn)品經(jīng)過了鍍鎳處理。而在有些情況下，表面涂鍍層非常薄，有時(shí)只有幾微米，采用金相檢驗(yàn)法盡管可以看到表層與基體有差別，但無法肯定是否涂有鍍層，此時(shí)可結(jié)合化學(xué)成分分析法，分別對表層和基體的化學(xué)成分進(jìn)行檢測。

（五）討論

加法再制造的工件多為鋼鐵件，通常在其表面增加一些與基體不同的材料，如鎳、鉻等，來改善產(chǎn)品性能，由于新材料與母材存在一些差異，因此可以采用化學(xué)成分分析法、金相檢驗(yàn)法和硬度檢測法來判斷產(chǎn)品是否經(jīng)過了加法再制造。化學(xué)成分分析法是采用X熒光分析儀或便攜式直讀光譜儀對工件表面和基體材料分別進(jìn)行化學(xué)成分分析。由于加法再制造后有新的材料附加在原有的基體上，其表面與基體的成分必然存在很大區(qū)別因此可以從成分的不同來進(jìn)行檢驗(yàn)。該方法采用的設(shè)備為便攜式的，方便用于現(xiàn)場檢驗(yàn)，零件的破壞性也相對較小，且可以判斷再制造表層的成分，見是一種較為理想的檢驗(yàn)方法。

金相檢驗(yàn)法是利用加法再制造產(chǎn)品的表層和基體材料不一致的原理，對于同一材料，于采用了一定的熱處理或表面處理工藝，微觀結(jié)構(gòu)也會存在著明顯差異，如晶粒的大小，影響區(qū)及顯微組織的變化等，過這些差異可以鑒別出零件是否經(jīng)過了加法再制造。該檢測結(jié)果更加直觀，且可以測出再制造表層的厚度，是制樣比較麻煩，且所用試樣必須從原零件上切割下來，于破壞性檢測。由于加法再制造可以增加零件的耐磨性，因此再制造表層的硬度相對基體硬度更高。但是考慮到導(dǎo)致零件表面硬度提高的外來因素較多，此硬度檢測法僅僅可以作為一種參考的方法。

三、結(jié)論

對于加法再制造機(jī)械產(chǎn)品，以采用化學(xué)成分分析法、金相檢驗(yàn)法和硬度檢測法等方法加以鑒別；種方法都有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，以根據(jù)實(shí)際情況選擇適當(dāng)?shù)臋z測方法；若將其綜合利用，對加法再制造機(jī)械產(chǎn)品的鑒別效果會更好。

參考文獻(xiàn)：

篇4

（中國核電工程有限有限公司，福建 福清 350300）

【摘　要】某核電廠PTR系統(tǒng)冷卻水泵法蘭運(yùn)行過程中產(chǎn)生大量缺陷，發(fā)生了硼泄漏，對核安全造成威脅。通過化學(xué)成分檢驗(yàn)、力學(xué)分析、組織結(jié)構(gòu)分析等手段對法蘭進(jìn)行取樣失效分析。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)法蘭本體材料以及焊接熱影響區(qū)域組織晶粒粗大，非金屬夾雜物在管內(nèi)晶界處連續(xù)分布。冷卻水泵運(yùn)行引起管道以及法蘭的振動(dòng)峰值速度提高。在存在非金屬夾雜物的情況下，在管材內(nèi)壁的非金屬夾雜物處產(chǎn)生了疲勞裂紋，并不斷向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致法蘭的泄漏。

關(guān)鍵詞 失效分析；法蘭；PTR系統(tǒng)；核電站

作者簡介：唐世延 (1982—)，男，安徽碭山人，工程師，畢業(yè)于西南交通大學(xué)，研究方向?yàn)楹穗娬拘录夹g(shù)研究及管理。

0　引言

反應(yīng)堆換料水池和乏燃料水池冷卻和處理系統(tǒng)(簡稱：PTR系統(tǒng))是反應(yīng)堆中的重要系統(tǒng)，它為核燃料廠房的乏燃料水池和反應(yīng)堆廠房的反應(yīng)堆換料水池服務(wù)，以保證乏燃料元件貯存池的持久冷卻和反應(yīng)堆換料水池的注水、排水和凈化。

某核電廠PTR系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)現(xiàn)PTR003VB法蘭發(fā)生泄漏，外表面出現(xiàn)硼結(jié)晶體。液體滲透檢查發(fā)現(xiàn)在近焊縫處存在多處長約3~5mm線性缺陷顯示，缺陷位于管道內(nèi)壁且距離焊縫邊緣約0.3mm的焊接熱影響區(qū)。PTR系統(tǒng)其它同類法蘭經(jīng)液體滲透檢查發(fā)現(xiàn)，8片法蘭中有7片法蘭存在線性缺陷顯示。為保障核電站反應(yīng)堆冷卻介質(zhì)的狀態(tài)，確保核電站安全運(yùn)行，防止后續(xù)類似事故發(fā)生，非常有必要對PTR系統(tǒng)失效法蘭開展失效分析，判斷其失效性質(zhì)并分析失效原因。

1　試驗(yàn)方法

采用液體滲透探傷、材料化學(xué)成分分析（EDS, FEI NANO400）、材料力學(xué)性能測試（電子萬能試驗(yàn)機(jī)，WDW-100C）、基材及裂紋截面金相分析(OM,Olympus OLS4000)、裂紋斷口掃描電鏡及能譜分析（SEM/EDS，F(xiàn)EI NANO400）等方法進(jìn)行失效分析。

2　試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1　化學(xué)成分分析

失效法蘭的材質(zhì)為304L奧氏體不銹鋼,為驗(yàn)證材料化學(xué)成分是否符合標(biāo)準(zhǔn)要求，從失效的法蘭上截取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果表明，化學(xué)成分符合規(guī)范的技術(shù)要求，但成分分析中發(fā)現(xiàn)存在較高含量（0.07%）的Al。

2.2　力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T228.1對失效法蘭材料進(jìn)行力學(xué)性能測試，結(jié)果表明，該材料的屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度和伸長率指標(biāo)均符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.3　顯微組織分析

對失效法蘭母材與熱影響區(qū)金相組織進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)焊接熱影響區(qū)晶粒尺寸較大，這與焊接過程中熱輸入有關(guān)。

對失效法蘭母材的晶界結(jié)構(gòu)進(jìn)行掃描電鏡分析，發(fā)現(xiàn)夾雜物主要沿晶界分布。能譜分析結(jié)果表明夾雜物中含有Al2O3、MnS夾雜物以及Al2O3-SiO2-CaO 系復(fù)合夾雜物，上述夾雜物中以含Al的夾雜物居多。根據(jù)GB/T10561對法蘭基體材料進(jìn)行了夾雜物評級，評級結(jié)果為1.0~1.5級。

2.4　裂紋分析

對裂紋斷口的全貌進(jìn)行分析，在內(nèi)壁附近可以觀察到端面呈現(xiàn)一系列相互平行的條紋，略微彎曲，呈波浪狀，并與裂紋微觀擴(kuò)展方向垂直，裂紋的擴(kuò)展方向均朝向波紋凸出的一側(cè)，此為疲勞裂紋的典型特征。在裂紋斷口上還發(fā)現(xiàn)各種形態(tài)的夾雜物，EDS檢測結(jié)果表明這些夾雜物為富含Al、S的非金屬夾雜物。

通過掃描電鏡觀察管壁局部微裂紋的形貌，在微裂紋中間部位可觀察到條狀?yuàn)A雜物，能譜分析顯示含有較高含量的Al，這進(jìn)一步證實(shí)了含Al夾雜物對于該法蘭失效起到了至關(guān)重要的作用。

3　討論

掃描電鏡及能譜分析結(jié)果表明，材料中存在大量的含鋁相非金屬夾雜物。化學(xué)成分分析結(jié)果證實(shí)Al含量高達(dá)0.07%，較高的Al含量與材料的冶煉、鑄造和加工過程有關(guān)。Al2O3為鋼中較為常見的夾雜物，Al2O3可以有許多種形態(tài)，由于它的熔點(diǎn)高（2050℃），所以它往往以初晶剛玉析出，剛玉是六角形且可以與其他三價(jià)M2O3類氧化物完全互溶[1]。Al2O3的來源主要有兩類：其一是將鋁加入鋼中脫氧時(shí)生成的，其尺寸為1~4μm左右；其二是來自耐火材料。文獻(xiàn)[2-3]曾對304不銹鋼中的夾雜物來源進(jìn)行過分析，發(fā)現(xiàn)冶煉過程中耐火磚材料是Al的主要來源，夾雜物的主要種類是Al2O3-SiO2-CaO系復(fù)合夾雜、Al2O3夾雜、Al2O3-SiO2系硅酸鹽夾雜以及SiO2夾雜。

鋼中非金屬夾雜物的存在降低材料的塑性、韌性和疲勞性能，尤其當(dāng)夾雜物以不利的形狀和分布特征存在時(shí)，對材料的力學(xué)性能影響更為嚴(yán)重[4-5]。危害性最大的夾雜物是來源于爐渣和耐火材料的外來氧化物，它們尺寸大、形狀不規(guī)則、分布集中并且變形性差。這些夾雜物塑性很差（MnS除外），與基體相屬于非共格關(guān)系，結(jié)合力較弱，其存在往往成為潛在的裂紋源，特別容易引起部件的早期疲勞破壞[6]。同時(shí)，鋁硅鈣夾雜物具有較高的熔點(diǎn)和硬度，其硬度隨Al2O3含量的增加而升高，變形量小，當(dāng)壓力加工變形量增大時(shí)，鋁硅鈣被壓碎并沿著加工方向呈串鏈狀分布，嚴(yán)重地破壞了鋼基體均勻的連續(xù)性。

鋼中非金屬夾雜物的變形行為與基體之間的關(guān)系，可用夾雜物與基體之間的相對變形量來表示，即夾雜物的變形率V。夾雜物的變形率可在0~1范圍變化，若變形率低，鋼經(jīng)加工變形后，由于鋼產(chǎn)生塑性變形，而夾雜物基本上不變形，便在夾雜物和鋼基體的界面處產(chǎn)生應(yīng)力集中，導(dǎo)致在鋼與夾雜物的界面處產(chǎn)生微裂紋。在交變載荷的作用下，非金屬夾雜物便成為構(gòu)件在使用過程中引起疲勞破壞的隱患。

疲勞裂紋起裂于不均勻局部滑移而形成的微裂紋，主要方式為表面滑移帶形成、第二相、夾雜物或其界面起裂，晶界或亞晶界起裂、各類冶金缺陷和工藝缺陷的起裂等。工程金屬疲勞裂紋的萌生多發(fā)現(xiàn)于第二相、夾雜物處，這些部位在較低的應(yīng)力下就會出現(xiàn)應(yīng)力應(yīng)變集中，裂紋易于萌生并擴(kuò)展。因此，在疲勞應(yīng)力作用下，疲勞易于在材料中含有上述非金屬夾雜物處開始萌生和擴(kuò)展。失效的管道法蘭所屬管道所處位置靠近水泵，該泵正常運(yùn)行時(shí)為常開狀態(tài)，水泵運(yùn)行時(shí)的振動(dòng)通過管道傳導(dǎo)至失效的法蘭，從而提供了法蘭產(chǎn)生疲勞失效的交變載荷。

由于法蘭在焊接部位為壁厚4mm的薄壁管，較多的含Al非金屬雜物較多，晶粒粗大，且失效法蘭所屬管道的平均振動(dòng)幅度為PTR系統(tǒng)中最大的等因素疊加使得法蘭以疲勞方式失效。

4　結(jié)論

焊縫熱影響區(qū)以及母材晶粒粗大，非金屬夾雜物在管內(nèi)壁斷口區(qū)域連續(xù)分布，裂紋萌生于管材內(nèi)壁的非金屬夾雜物處，在疲勞載荷作用下不斷向外擴(kuò)展，最終導(dǎo)致法蘭以疲勞方式失效。

參考文獻(xiàn)

［1］董履仁,劉新華. 鋼中大型非金屬夾雜物[M].北京:冶金工業(yè)出版社,1991.

［2］張雅麗,王建軍,羅林根,郭上型,孔輝,周俐.304奧氏體不銹鋼鑄錠中非金屬夾雜物研究[J].安徽工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2011,28(4):350-354.

［3］李雙江,李陽,姜周華,李偉堅(jiān).304奧氏體不銹鋼夾雜物的冶金行為[J].東北大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2010,31(3):402-405.

［4］曾光廷,李靜緩,羅學(xué)厚.非金屬夾雜物與鋼的韌性研究[J].（下轉(zhuǎn)第334頁）（上接第291頁）2000,18(2):87-91.

［5］許忠波,EL.Gammal.鋼中夾雜物含量及其形態(tài)對鋼力學(xué)性能的影響[J].鋼鐵研究學(xué)報(bào),1994,6(4):18-23.

篇5

關(guān)鍵詞：液氨管道；不銹鋼三通；應(yīng)力腐蝕裂紋；失效分析

中圖分類號：TQ53 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2017）12-0072-03

1 概述

某電廠氨區(qū)液氨管道不銹鋼三通發(fā)生開裂泄漏，不銹鋼三通規(guī)格為Φ108×4mm，材質(zhì)為SA-213TP304H，運(yùn)行介質(zhì)為氨蒸汽，運(yùn)行溫度約200℃，運(yùn)行壓力小于1MPa，運(yùn)行時(shí)間約15000h。

2 檢驗(yàn)內(nèi)容

2.1 宏觀檢查

對發(fā)生開裂的不銹鋼三通進(jìn)行宏觀檢查，宏觀照片及取樣位置示意圖如圖1所示。

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，三通本體兩側(cè)各有一條裂紋，一側(cè)裂紋長約90mm，另一側(cè)裂紋長約55mm，兩條裂紋形態(tài)均為平直型，裂紋開口較小，沒有明顯的宏觀塑性變形。三通外表面腐蝕不明顯，但剖開后發(fā)現(xiàn)內(nèi)表面有較多的腐蝕產(chǎn)物。

2.2 化學(xué)成分分析

對不銹鋼三通取樣鉆取鐵屑，利用PerkinElmer Optima210 0DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀和C、S分析儀，依據(jù)GB/T 20123-2006《鋼鐵 碳硫含量的測定 高頻感應(yīng)爐燃燒后紅外吸收法》及GB/T 223《鋼鐵及合金化學(xué)分析方法》進(jìn)行化學(xué)成分分析，成分分析結(jié)果見表1。

化學(xué)成分結(jié)果表明，三通取樣的C含量低于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼C含量規(guī)定的下限值，但仍在允許的偏差范圍內(nèi)，而P含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，Cr含量低于規(guī)定的下限值，P和Cr的含量已超出標(biāo)準(zhǔn)允許的偏差范圍。

2.3 室溫拉伸試驗(yàn)

依據(jù)GB/T228.1-2010《金屬材料拉伸試驗(yàn) 第1部分：室溫試驗(yàn)方法》，對三通取樣進(jìn)行室溫拉伸試驗(yàn)，拉伸試樣采用弧線試樣，保留原表面，使用設(shè)備為日本島津AG-IC 100kN精密電子萬能材料試驗(yàn)機(jī)。試驗(yàn)結(jié)果見表2。

室溫拉伸試驗(yàn)檢驗(yàn)結(jié)果表明，三通取樣的室溫抗拉強(qiáng)度和屈服強(qiáng)度顯著高于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼規(guī)定的上限值，而延伸率則明顯偏低，不到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的一半。

2.4 金相檢驗(yàn)

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 13299-1991《鋼的顯微組織評定方法》對三通本體斷面處取樣1#、三通本體裂紋尖端處取樣2#和直段母材取樣3#進(jìn)行觀察和檢驗(yàn)，金相檢驗(yàn)照片見圖2～圖4，金相檢驗(yàn)結(jié)果如下：

由圖2金相組織照片可以看出，三通本體斷面處取樣1#的金相組織為奧氏體組織，基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，晶粒度為5～6級。斷面處呈沿晶斷裂特征，可見二次裂紋。

由圖3金相組織照片可以看出，三通本體裂紋尖端處取樣2#的金相組織為奧氏體組織，基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，晶粒度為5～6級。裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開裂特征為主。

由圖4金相組織照片可以看出，直段母材取樣3#的金相組織為孿晶奧氏體組織，晶粒度為6～7級，組織正常。

2.5 非金屬夾雜檢驗(yàn)

采用ZEISS AXIOVERT 200 MAT研究級倒置萬能金相顯微鏡，依據(jù)GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》對三通取樣進(jìn)行非金屬夾雜物檢驗(yàn)，檢驗(yàn)照片見圖5，檢驗(yàn)結(jié)果見表3。

非金屬夾雜物檢驗(yàn)結(jié)果表明，各位置取樣的非金屬夾雜物等級滿足GB5310-2008的要求。

2.6 維氏硬度試驗(yàn)

對各位置取樣的金相樣品表面進(jìn)行維氏硬度檢驗(yàn)，維氏硬度檢驗(yàn)依據(jù)GB/T 4340.1-2009《金屬材料 維氏硬度試驗(yàn) 第1部分：試驗(yàn)方法》標(biāo)準(zhǔn)，在金相檢驗(yàn)面進(jìn)行，測試設(shè)備為HV-50Z型自動(dòng)轉(zhuǎn)塔數(shù)顯維氏硬度計(jì)，試驗(yàn)力為10kgf，試驗(yàn)力保持時(shí)間10s。維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果見表4。

三通取樣的維氏硬度檢驗(yàn)結(jié)果表明，三通本體取樣的硬度值顯著高于GB5310-2008中對07Cr19Ni10（TP304H）鋼規(guī)定的上限值，直段母材取樣的硬度值滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.7 掃描電鏡微觀觀察及能譜分析

依據(jù)JY/T 010《分析型掃描電子顯微鏡方法通則》，對三通斷口取樣進(jìn)行掃描電鏡微觀觀察及能譜微區(qū)成分分析，結(jié)果見圖6和圖7。

通過對三通斷口的掃描電鏡觀察及能譜分析可以看出，斷口由內(nèi)壁側(cè)啟裂向外壁側(cè)擴(kuò)展，整個(gè)斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁側(cè)啟裂區(qū)尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對腐蝕產(chǎn)物的能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。

3 分析與討論

綜上理化檢驗(yàn)結(jié)果分析，三通強(qiáng)度和硬度顯著高于標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值（抗拉強(qiáng)度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的2.2倍，屈服強(qiáng)度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定下限值的4.8倍，硬度均值是標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值的2.2倍），且金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三通本體基體內(nèi)存在大量的形變孿晶，晶粒有明顯的拉長變形特征，這些特征表明，三通在加工完成后沒有進(jìn)行固溶處理，形變硬化程度較高，內(nèi)應(yīng)力沒有消除。

其次，宏觀檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)三通內(nèi)表面有較多的腐蝕產(chǎn)物，斷口掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)斷口由內(nèi)壁側(cè)啟裂向外壁側(cè)擴(kuò)展，整個(gè)斷面均為冰糖塊狀的沿晶型斷裂特征，斷面上覆蓋有較多的腐蝕產(chǎn)物，內(nèi)壁側(cè)啟裂區(qū)尤為明顯，且有較多的腐蝕坑。對腐蝕產(chǎn)物的能譜分析發(fā)現(xiàn)，腐蝕產(chǎn)物中有一定量的Cl、S等腐蝕性元素。同時(shí)，金相檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，裂紋有明顯的分叉，裂紋以沿晶型開裂特征為主。以上特征表明，該三通裂紋具備應(yīng)力腐蝕裂紋的特征，且運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素。

再者，對三通的化學(xué)成分檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，取樣的P含量高于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值，Cr含量低于規(guī)定的下限值。過高的P含量易引起P元素在晶界偏聚，弱化晶界，而過低的Cr含量會降低不銹鋼的耐蝕性能。

因此，綜合分析，該三通未進(jìn)行固溶處理，強(qiáng)度過高，韌性不足，存在較大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)，運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素，導(dǎo)致該三通發(fā)生了應(yīng)力腐蝕開裂，而P含量過高，Cr含量過低進(jìn)一步加速了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展，最終引起泄漏失效。

4 結(jié)論及建議

液氨管道不銹鋼三通的裂紋為應(yīng)力腐蝕裂紋，造成三通開裂的主要原因是該三通未進(jìn)行固溶處理，且運(yùn)行環(huán)境中存在Cl等腐蝕性元素，而三通材質(zhì)P含量過高，Cr含量過低促進(jìn)了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生和擴(kuò)展。針對以上結(jié)論，建議如下：

（1）對制造三通的原始材料進(jìn)行理化性能檢驗(yàn)，確保各項(xiàng)性能滿足相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定；

（2）三通制造成型后及時(shí)按標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行固溶處理，充分消除加工引起的形變硬化和內(nèi)應(yīng)力；

（3）對運(yùn)行環(huán)境進(jìn)行篩查，避免Cl元素等不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂敏感性元素進(jìn)入運(yùn)行環(huán)境中。

參考文獻(xiàn)