摘要： 超超臨界機組汽輪機再熱閥所用IN合金螺栓斷裂頻繁，斷裂形式多樣。 為研究影響其斷裂行為的因素，對螺栓材料在不同應力和溫度下進行了耐久斷裂試驗，並對斷裂試樣進行了金相檢查和斷裂分析。 結果表明：合金螺栓的時效脆性較大，耐久塑性很低，試樣斷裂主要沿晶粒脆性，且隨著斷裂時間的延長，裂紋源處的氧化特性和斷裂腐蝕特性越來越明顯，斷裂形式逐漸轉變為沿晶體的軸向斷裂。 關鍵詞：合金螺栓;骨折;老化脆性;裂紋源;中圖分類號： TG文件符號程式碼： 貨號： 本世紀末，美國特種金屬公司研製出一種新型的抗氧化、低膨脹、高溫航空發動機合金。近年來，隨著超超臨界汽輪機技術的興起，對汽輪機高溫螺栓的效能提出了更高的要求，該合金也被用作汽輪機機組的螺栓材料[GH和R等傳統高溫合金螺栓的鉻含量在質量分數以上），具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性， 但鉻含量高會使鐵磁高溫合金的居里溫度降至室溫以下[ ]，使其線膨脹係數高於聯結器（閥門或圓柱體），導熱係數差。在合金中不僅具有傳統高溫合金的高蠕變斷裂強度和抗鬆弛性，而且具有與馬氏體耐熱鋼相似的線膨脹係數採用合金對渦輪閥的閥蓋螺栓進行再加熱時，工作溫度左右為，設計蒸汽壓力為MPa，無交變負荷。 合金螺栓自投產以來，在全國各地發生斷裂的頻率極高。 Peng等[]認為螺栓斷裂與預緊力過大無關，而是由應力促進晶界氧化引起的疲勞裂紋沿氧化損傷區擴充套件引起的。 江濤等[]發現，當斷裂的螺栓被加熱和擰緊時，加熱棒的區域性高溫，是由螺栓孔材料的燃燒和裂紋的來源引起的，進而引起螺栓斷裂。 基於某電廠斷裂螺栓的失效分析結果，筆者指出，不合格時效處理引起的晶界氧化裂紋是造成部分合金螺栓斷裂的主要原因。 合金螺栓斷裂型根據江蘇省超超臨界汽輪機合金螺栓斷裂統計結果，斷裂時執行時間為h;裂隙主要有兩種型別：無裂紋擴充套件特徵的粗糙不均勻泥狀裂隙（如圖所示）和具有裂紋擴充套件特徵的細裂隙（如圖所示）。 本文不討論由製造產生的巨集觀缺陷引起的斷裂，以及由同一組螺栓中現有螺栓斷裂引起的疲勞斷裂，這些斷裂導致其他螺栓承受交變載荷。 
為便於說明，圖中所示的斷裂型別稱為準斷裂，一般位於光滑棒弧的過渡處（工作應力最大），斷裂金相表明，在內孔壁裂紋源處存在類似應力腐蝕（如圖）和內壁氧化特性（如圖）的樹枝狀分岔裂紋;圖中所示的斷裂型別稱為準斷裂，這種斷裂一般位於加熱孔的底部（由於外螺紋和內孔加工槽的存在，應力集中程度很高），斷口的氧化腐蝕特性不明顯， 在高時，斷裂沿晶體呈脆性（如圖所示）
根據斷裂的基本特徵，初步判斷準斷裂是沿結晶氧化的長期（低應力）斷裂，準斷裂是沿結晶脆性的短期（高應力）斷裂。 為了驗證這一觀點，在無缺陷合金螺栓上取樣，進行不同溫度和應力下的持續斷裂試驗，分析試件的斷裂特性，找出斷裂的主要影響因素，並提出預防措施。 試驗材料及試驗方法 試驗中使用的合金螺栓試樣來自某電廠維修更換的完整螺栓，經標準熱處理後硬度為HBW採用真空熱處理爐，固溶處理工藝為保溫後風冷h，時效處理工藝為（爐冷後保溫h（h），時效處理工藝為（爐冷後保溫h（h）至（風冷後保溫h。 布氏硬度試驗按GBT金屬材料布氏硬度試驗（第一部分）：試驗方法進行，試驗機為HBS數字布氏硬度計。 高溫耐久強度試驗是按照GBT金屬單軸拉伸蠕變試驗方法的要求準備和試驗的，試驗儀器為RD和RCL型高溫蠕變耐久強度試驗機。 試驗溫度調整初始應力，得到不同斷裂次數的持續斷裂試樣，最長斷裂時間控制在h以內。 試驗結果與分析 耐久性能圖 兩組不同試驗溫度下的耐久強度試驗資料，可以看出溫度對耐久強度影響很大，試樣仍具有相當高的耐久強度，但耐久強度急劇下降。 此外，從長效強度曲線的斜率可以看出，時效增強效果顯著。 圖中顯示了試樣在不同溫度和相似斷裂時間下的持久塑性，可以看出持久塑性很低（h後塑性增加），截面收縮率也很低，截面收縮反映材料區域性縮頸和變形的能力[]反映在巨集觀脆性斷裂中， 所以材料在以下操作時非常脆，溫度是其脆性敏感溫度。
金相檢驗及斷裂形貌分析 斷裂金相檢驗表明，長效試樣的斷裂形態為透晶，且隨著斷裂時間的延長，內孔逐漸增大而下乙個耐久試樣的斷裂形式是沿晶粒（如圖所示），無內孔，顯微組織為初級相的奧氏體晶界分布和晶界分布的細次相下部耐久試樣表面出現氧化皮和氧化裂紋（如圖），隨著時間的延長，氧化皮變得更加連續和厚實，氧化裂紋較多[如圖b所示];由於斷裂時間短，表面無氧化皮或氧化裂紋。 
選擇反映溫度和時間變化的長期測試樣品：b（h）、b（h）、c（h）、c（h）、a（h）。觀察斷裂區的微觀形貌（如圖所示），可以看出樣品B、C、C的斷裂區存在氧化腐蝕產物，能譜分析表明，這些腐蝕產物中含有大量的氧（見表），在樣品A的裂紋源區發現內部缺陷。 觀察擴充套件區域的微觀形貌（如圖所示），可以看出樣品b為凹坑斷口，有凹坑和孔洞a 試樣為典型的冰糖狀顆粒斷裂，由於未被腐蝕性產物覆蓋，一次比較明顯樣品b、c、c為沿晶間裂紋的腐蝕紋裂隙，斷裂時間越長，腐蝕特性越明顯，沿結晶的形貌逐漸不可見。 
耐久性試驗結果表明，該材料隨年齡增長具有很強的硬化傾向，而時效硬化在試驗下消失，耐久性急劇下降，材料具有良好的延展性。 這與合金螺栓的實際斷裂模式相吻合，合金螺栓在對時效脆化的溫度敏感的溫度下執行，發生的斷裂是沒有明顯變形的脆性斷裂。 對長壽命試件斷裂裂紋源的觀察發現，試件的裂紋源位於試件的自由面上，高應力短期長壽命試件的裂紋源往往是表面本身的缺陷，並且隨著時間的延長，裂紋源往往是表面的氧化開裂斷裂模式也由年齡樣脆性斷裂模式轉變為蒽氧基樣脆性斷裂模式。 溫度對合金的抗氧化性也有顯著影響，一些文獻表明，由於在不同溫度下產生的氧化物不同，合金的抗氧化性高於合金，因此在合金螺栓中的適用性還有待研究。 斷裂特點、原因及預防 斷裂的斷裂形態與C、C持久試樣相似，與斷裂相鄰的試樣自由表面被氧化，斷面被氧化腐蝕產物覆蓋。 這種型別的斷裂有足夠的時間氧化晶界，初始應力相對較低，氧氣在應力的推動下逐漸向晶界擴散，產生的氧化物使晶界脆化，逐漸形成晶間裂紋。 由於結晶氧合裂紋擴充套件的不確定性，形成基本垂直於主應力方向的粗糙不均勻斷裂，無裂紋擴充套件特性，斷裂方式為長期結晶氧化斷裂。 類似斷裂的主要原因是沿結晶氧化，可歸類為一種應力腐蝕，常起源於內壁的小氧化缺陷和工作應力的位置，如光滑棒減少，內壁的小氧化缺陷可能是由於加熱棒區域性高溫加熱和燃燒引起的， 也可能是長期執行後表面氧化開裂引起的為防止這種開裂，應注意防止熱擰緊時內壁區域性過熱，提高螺栓熱處理的質量，特別是時效處理的質量。 大量研究表明，是否進行時效處理對汽輪機所用IN合金的顯微組織和效能有重要影響[當二次相含量達到面積分數時]，提高合金的抗裂紋擴充套件性和抗應力性以加速晶界的氧化更為明顯[ ] 斷裂特性， 原因及預防 斷裂形貌與圖中b（h）試樣相似，主要沿晶體形貌，晶粒表面有輕微氧化腐蝕的痕跡，說明該類試樣高溫氧化時間短，應力起主導作用。b 試件的初始應力為MPa，如果試驗h後斷裂，應力會較高，遠高於螺栓在平穩執行時的工作應力，因此在啟動之初，在預緊力過大而應力鬆弛之前（並且還存在溫差應力）， 或者當負載過大或強行拆卸時發生。類似的斷裂常發生在加熱孔底部，外側有螺釘，內側有縮回槽，受外受荷載時應力集中較大，加熱嚴密時容易發生區域性超溫，這些因素往往造成螺栓短期晶脆性斷裂。 準斷裂以應力為主，常發生在應力集中程度很高的位置，如加熱孔底縮槽、螺母擰緊首齒等;可以通過降低應力集中程度來預防，如提高加工精度，螺栓設計為通孔等，同時應避免螺栓，因為螺栓因強烈拆裝而承受較大的衝擊載荷。 結論 （ ）溫度對合金的長效斷裂行為影響較大，合金在執行初期具有較強的時效硬化傾向和相當的強度，但時效脆性較大，持久塑性較低。 （時間對斷裂模式也有很大影響：長期以來，表面的氧化裂紋成為開裂的根源，斷裂形式沿結晶氧化模式趨向於形成粗糙不均勻的氧化腐蝕斷裂，應力起到促進氧在晶界擴散的作用;時間短，晶界氧化小，應力佔主導地位，材料的時效脆性導致在高應力位置的缺陷處沿晶粒發生脆性斷裂，在內外表面應力集中和加工缺陷位置時容易發生這種斷裂。 合金螺栓失效模式主要分為沿結晶氧化的脆性斷裂模式和時效脆性斷裂模式，通孔設計避免了加熱孔底部的加工問題，可有效減少時效脆性斷裂的發生，但對結晶氧化脆性斷裂沒有預防作用。 通過標準化的熱處理（特別是時效處理）提高材料的晶界抗氧化性是解決合金螺栓頻繁開裂的主要途徑，還需要防止螺栓強拆和熱擰緊時螺栓內壁區域性過熱。 參考文獻： [ Tundermannjh開發低熱膨脹抗裂紋擴充套件高溫合金合金[J] Acta Metallurgica Sinica （英文字母）， Yamamotor， Kadoya Y， Kawayih ，Etal 汽輪機低熱膨脹鎳基高溫合金的合金設計與材料效能[J] 鋼鐵， 沈志 鉻鎳鐵合金組織與應力鬆弛效能研究[D] 上海：上海交通大學， 彭一超超， 婁玉敏， 徐少平， 等. 超超臨界機組中壓閥蓋 合金合金螺栓斷裂失效分析[J] 火力發電， 江濤， 王建光， 張志波， 等 超超臨界機組鎳基螺栓斷裂失效分析[J] 火力發電， 楊超， 馮立忠， 吳洪濤， 等 超超臨界汽輪機螺栓斷裂斷裂原因分析[J] 理化試驗（物理體積）， 舒德林 工程材料力學效能[M] 北京： 機械工業出版社， 韓光偉， 馮迪， 鄧波， 等.合金的顯微組織與抗氧化效能[J] 鋼鐵研究學報， MAL， Changk M，Mannansk 氧化物誘導裂紋閉合：Inconel合金中異常時間依賴疲勞裂紋擴充套件的解釋 J] Scriptamaterialia， 李鐵凡 金屬晶界在高溫氧化中的作用[J] 中國腐蝕與防護學報， 沈志， 沈巨集偉， 孫峰， 等.合金熱處理工藝的熱力學評價與成分設計[J] 動力工程學報， 段輝， 甄曉輝， 吳瑞紅 熱處理對合金組織與拉伸效能的影響[J]熱加工技術， 賈欣雲， 趙玉新， 張紹偉 時效對低膨脹高溫合金組織與效能的影響[J] 金屬熱處理， 文章**—材料和測試網路。