阀体开裂原因分析

我公司生产的500kV高压开关采用液压操作。液压机构的心脏部分二级阀阀体在操作试验时发生开裂漏油事故。为此，我们对二级阀阀体开裂原因进行了分析。
1　阀体材质及使用状况
1.1　材质
阀体材质为GCr15SiMn钢，其化学成分见表1。其外形尺寸见图1。
表1　阀体化学成分质量分数w（％）
C Si Mn Cr S P Ni
1.01 0.57 1.07 1.48 0.01 0.024 0.05

图1　阀体外型尺寸

1.2　阀体制造工序
下料→退火→粗加工→淬火、回火→精加工→镀锌。阀体热处理工艺见图2，热处理后硬度为57～59HRC。

图2　阀体热处理工艺曲线

1.3　使用状况
阀体内承受32～34MPa油压，于户外使用，开裂均发生在操作100～200次以后。
2　宏观检查
图3为阀体宏观像，阀体开裂发生在油孔边缘，长度约30mm，裂纹平直。

图3　阀体开裂从油孔边缘起始

3　断口检查
将阀体解体后断口呈银灰色，未被氧化和腐蚀，说明阀体裂纹既不是淬火裂纹也不是腐蚀裂纹，根据断口形貌可以认为是瓷状断口，属脆性断裂。
断口照片见图4，由图4可以看出裂纹断口上有许多放射状纹理。根据裂纹走向可以看出有两处裂纹源，即箭头1、箭头2所指处。1处为*裂纹源，2处为*裂纹扩展到一定程度后才诱发产生的，裂纹源1位于不同平面交角附近。工作时估计此处有一定的应力集中。

图4　裂纹断口断裂源部分　×6
（箭头1、2各指一个断裂源）

将裂纹源进一步放大，图5为*裂纹源放大像，图6为第二裂纹源放大像。可以看出两处裂纹源均有二次裂纹，都以沿晶断裂为主。

图5　断裂源1放大像

图6　断裂源2放大像

图7、8为*裂纹源局部放大像。从图7、8可以看出沿晶断裂面上有一些析出颗粒及孔洞。经X射线能谱分析说明这种颗粒的铬含量较基体约高1倍。X射线能谱分析结果见表2。估计这种析出的颗粒是（Fe、Cr）3C型碳化物。

图7　断裂源1局部放大像
（箭头指晶界析出颗粒）

图8　断裂源1局部放大像
（箭头指晶界孔洞）

表2　X射线能谱分析结果　w％
测量位置 Si S P Mn Cr Fe
晶界析出颗粒 0.6 0.11 0.08 0.96 2.97 95.38
基　　体 0.51 0.039 0.026 0.99 1.44 96.99
4　金相组织
金相试样经深度腐蚀后可以看出有网状碳化物沿晶界析出，这与断口观察结果一致。
5　开裂原因分析及验证
断口观察说明阀体开裂有一个扩展过程，并不是瞬时断裂，这与阀体经过100～200次操作试验相符，反映了阀体开裂是逐渐发生的属滞后破坏型，且阀体经过电镀锌，因此怀疑可能为氢脆所致。另外，GCr15SiMn钢*类回火脆性区为200～400℃之间，而此阀体回火温度恰在250～270℃之间，因此怀疑可能有*类回火脆性产生。
鉴于以上分析又进行了验证试验。
在阀体上取样制备3点弯曲试样，用线切割在试样中间开槽，对试样电解充氢，其中电解液为10％盐酸水溶液，电压6V、充氢时间30min。以3点弯曲方式对充氢试样加80％屈服载荷的力，经10min后断裂仍以沿晶断口为主，见图9，可以看出断口形貌与图5相近，说明阀体开裂确系氢脆所至。

图9　阀体滞后破坏型氢脆断口

为验证阀体开裂是否为回火脆性引起，仍在阀体上取样制备3点弯曲试样，将试样430℃×2h回火后，以3点弯曲方式将试样折断，其断口照片见图10，可以看出断口基本上为穿晶断口，很少见沿晶断口。回火后硬度为46HRC，因此开裂阀体的回火温度为430℃时避免了*类回火脆性区，沿晶脆断就可以基本消除。抗弯强度也由原来的305MPa提高到762MPa，这充分证明了阀体开裂的沿晶脆断确实是由*类回火脆性引起的。

图10　阀体经430℃×2h空冷处理后的瞬断断口

6　改进措施及效果
将回火温度控制在400～450℃之间避开*类回火脆性区。实际生产中采用430±10℃。并增加电镀锌后的去氢工艺。改进工艺后的阀体经过近百次的操作试验尚未出现阀体开裂现象。