摘要： 超超临界机组汽轮机再热阀所用IN合金螺栓断裂频繁，断裂形式多样。 为研究影响其断裂行为的因素，对螺栓材料在不同应力和温度下进行了耐久断裂试验，并对断裂试样进行了金相检查和断裂分析。 结果表明：合金螺栓的时效脆性较大，耐久塑性很低，试样断裂主要沿晶粒脆性，且随着断裂时间的延长，裂纹源处的氧化特性和断裂腐蚀特性越来越明显，断裂形式逐渐转变为沿晶体的轴向断裂。 关键词：合金螺栓;骨折;老化脆性;裂纹源;中图分类号： TG文档符号代码： 货号： 本世纪末，美国特种金属公司研制出一种新型的抗氧化、低膨胀、高温航空发动机合金。近年来，随着超超临界汽轮机技术的兴起，对汽轮机高温螺栓的性能提出了更高的要求，该合金也被用作汽轮机机组的螺栓材料[GH和R等传统高温合金螺栓的铬含量在质量分数以上），具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性， 但铬含量高会使铁磁高温合金的居里温度降至室温以下[ ]，使其线膨胀系数高于连接器（阀门或圆柱体），导热系数差。在合金中不仅具有传统高温合金的高蠕变断裂强度和抗松弛性，而且具有与马氏体耐热钢相似的线膨胀系数采用合金对涡轮阀的阀盖螺栓进行再加热时，工作温度左右为，设计蒸汽压力为MPa，无交变负荷。 合金螺栓自投产以来，在全国各地发生断裂的频率极高。 Peng等[]认为螺栓断裂与预紧力过大无关，而是由应力促进晶界氧化引起的疲劳裂纹沿氧化损伤区扩展引起的。 江涛等[]发现，当断裂的螺栓被加热和拧紧时，加热棒的局部高温，是由螺栓孔材料的燃烧和裂纹的来源引起的，进而引起螺栓断裂。 基于某电厂断裂螺栓的失效分析结果，笔者指出，不合格时效处理引起的晶界氧化裂纹是造成部分合金螺栓断裂的主要原因。 合金螺栓断裂型根据江苏省超超临界汽轮机合金螺栓断裂统计结果，断裂时运行时间为h;裂隙主要有两种类型：无裂纹扩展特征的粗糙不均匀泥状裂隙（如图所示）和具有裂纹扩展特征的细裂隙（如图所示）。 本文不讨论由制造产生的宏观缺陷引起的断裂，以及由同一组螺栓中现有螺栓断裂引起的疲劳断裂，这些断裂导致其他螺栓承受交变载荷。 
为便于说明，图中所示的断裂类型称为准断裂，一般位于光滑棒弧的过渡处（工作应力最大），断裂金相表明，在内孔壁裂纹源处存在类似应力腐蚀（如图）和内壁氧化特性（如图）的树枝状分岔裂纹;图中所示的断裂类型称为准断裂，这种断裂一般位于加热孔的底部（由于外螺纹和内孔加工槽的存在，应力集中程度很高），断口的氧化腐蚀特性不明显， 在高时，断裂沿晶体呈脆性（如图所示）
根据断裂的基本特征，初步判断准断裂是沿结晶氧化的长期（低应力）断裂，准断裂是沿结晶脆性的短期（高应力）断裂。 为了验证这一观点，在无缺陷合金螺栓上取样，进行不同温度和应力下的持续断裂试验，分析试件的断裂特性，找出断裂的主要影响因素，并提出预防措施。 试验材料及试验方法 试验中使用的合金螺栓试样来自某电厂维修更换的完整螺栓，经标准热处理后硬度为HBW采用真空热处理炉，固溶处理工艺为保温后风冷h，时效处理工艺为（炉冷后保温h（h），时效处理工艺为（炉冷后保温h（h）至（风冷后保温h。 布氏硬度试验按GBT金属材料布氏硬度试验（第一部分）：试验方法进行，试验机为HBS数字布氏硬度计。 高温耐久强度试验是按照GBT金属单轴拉伸蠕变试验方法的要求准备和试验的，试验仪器为RD和RCL型高温蠕变耐久强度试验机。 试验温度调整初始应力，得到不同断裂次数的持续断裂试样，最长断裂时间控制在h以内。 试验结果与分析 耐久性能图 两组不同试验温度下的耐久强度试验数据，可以看出温度对耐久强度影响很大，试样仍具有相当高的耐久强度，但耐久强度急剧下降。 此外，从长效强度曲线的斜率可以看出，时效增强效果显著。 图中显示了试样在不同温度和相似断裂时间下的持久塑性，可以看出持久塑性很低（h后塑性增加），截面收缩率也很低，截面收缩反映材料局部缩颈和变形的能力[]反映在宏观脆性断裂中， 所以材料在以下操作时非常脆，温度是其脆性敏感温度。
金相检验及断裂形貌分析 断裂金相检验表明，长效试样的断裂形态为透晶，且随着断裂时间的延长，内孔逐渐增大而下一个耐久试样的断裂形式是沿晶粒（如图所示），无内孔，显微组织为初级相的奥氏体晶界分布和晶界分布的细次相下部耐久试样表面出现氧化皮和氧化裂纹（如图），随着时间的延长，氧化皮变得更加连续和厚实，氧化裂纹较多[如图b所示];由于断裂时间短，表面无氧化皮或氧化裂纹。 
选择反映温度和时间变化的长期测试样品：b（h）、b（h）、c（h）、c（h）、a（h）。观察断裂区的微观形貌（如图所示），可以看出样品B、C、C的断裂区存在氧化腐蚀产物，能谱分析表明，这些腐蚀产物中含有大量的氧（见表），在样品A的裂纹源区发现内部缺陷。 观察扩展区域的微观形貌（如图所示），可以看出样品b为凹坑断口，有凹坑和孔洞a 试样为典型的冰糖状颗粒断裂，由于未被腐蚀性产物覆盖，一次比较明显样品b、c、c为沿晶间裂纹的腐蚀纹裂隙，断裂时间越长，腐蚀特性越明显，沿结晶的形貌逐渐不可见。 
耐久性试验结果表明，该材料随年龄增长具有很强的硬化倾向，而时效硬化在试验下消失，耐久性急剧下降，材料具有良好的延展性。 这与合金螺栓的实际断裂模式相吻合，合金螺栓在对时效脆化的温度敏感的温度下运行，发生的断裂是没有明显变形的脆性断裂。 对长寿命试件断裂裂纹源的观察发现，试件的裂纹源位于试件的自由面上，高应力短期长寿命试件的裂纹源往往是表面本身的缺陷，并且随着时间的延长，裂纹源往往是表面的氧化开裂断裂模式也由年龄样脆性断裂模式转变为蒽氧基样脆性断裂模式。 温度对合金的抗氧化性也有显著影响，一些文献表明，由于在不同温度下产生的氧化物不同，合金的抗氧化性高于合金，因此在合金螺栓中的适用性还有待研究。 断裂特点、原因及预防 断裂的断裂形态与C、C持久试样相似，与断裂相邻的试样自由表面被氧化，断面被氧化腐蚀产物覆盖。 这种类型的断裂有足够的时间氧化晶界，初始应力相对较低，氧气在应力的推动下逐渐向晶界扩散，产生的氧化物使晶界脆化，逐渐形成晶间裂纹。 由于结晶氧合裂纹扩展的不确定性，形成基本垂直于主应力方向的粗糙不均匀断裂，无裂纹扩展特性，断裂方式为长期结晶氧化断裂。 类似断裂的主要原因是沿结晶氧化，可归类为一种应力腐蚀，常起源于内壁的小氧化缺陷和工作应力的位置，如光滑棒减少，内壁的小氧化缺陷可能是由于加热棒局部高温加热和燃烧引起的， 也可能是长期运行后表面氧化开裂引起的为防止这种开裂，应注意防止热拧紧时内壁局部过热，提高螺栓热处理的质量，特别是时效处理的质量。 大量研究表明，是否进行时效处理对汽轮机所用IN合金的显微组织和性能有重要影响[当二次相含量达到面积分数时]，提高合金的抗裂纹扩展性和抗应力性以加速晶界的氧化更为明显[ ] 断裂特性， 原因及预防 断裂形貌与图中b（h）试样相似，主要沿晶体形貌，晶粒表面有轻微氧化腐蚀的痕迹，说明该类试样高温氧化时间短，应力起主导作用。b 试件的初始应力为MPa，如果试验h后断裂，应力会较高，远高于螺栓在平稳运行时的工作应力，因此在启动之初，在预紧力过大而应力松弛之前（并且还存在温差应力）， 或者当负载过大或强行拆卸时发生。类似的断裂常发生在加热孔底部，外侧有螺钉，内侧有缩回槽，受外受荷载时应力集中较大，加热严密时容易发生局部超温，这些因素往往造成螺栓短期晶脆性断裂。 准断裂以应力为主，常发生在应力集中程度很高的位置，如加热孔底缩槽、螺母拧紧首齿等;可以通过降低应力集中程度来预防，如提高加工精度，螺栓设计为通孔等，同时应避免螺栓，因为螺栓因强烈拆装而承受较大的冲击载荷。 结论 （ ）温度对合金的长效断裂行为影响较大，合金在运行初期具有较强的时效硬化倾向和相当的强度，但时效脆性较大，持久塑性较低。 （时间对断裂模式也有很大影响：长期以来，表面的氧化裂纹成为开裂的根源，断裂形式沿结晶氧化模式趋向于形成粗糙不均匀的氧化腐蚀断裂，应力起到促进氧在晶界扩散的作用;时间短，晶界氧化小，应力占主导地位，材料的时效脆性导致在高应力位置的缺陷处沿晶粒发生脆性断裂，在内外表面应力集中和加工缺陷位置时容易发生这种断裂。 合金螺栓失效模式主要分为沿结晶氧化的脆性断裂模式和时效脆性断裂模式，通孔设计避免了加热孔底部的加工问题，可有效减少时效脆性断裂的发生，但对结晶氧化脆性断裂没有预防作用。 通过标准化的热处理（特别是时效处理）提高材料的晶界抗氧化性是解决合金螺栓频繁开裂的主要途径，还需要防止螺栓强拆和热拧紧时螺栓内壁局部过热。 参考文献： [ Tundermannjh开发低热膨胀抗裂纹扩展高温合金合金[J] Acta Metallurgica Sinica （英文字母）， Yamamotor， Kadoya Y， Kawayih ，Etal 汽轮机低热膨胀镍基高温合金的合金设计与材料性能[J] 钢铁， 沈志 铬镍铁合金组织与应力松弛性能研究[D] 上海：上海交通大学， 彭一超超， 娄玉敏， 徐少平， 等. 超超临界机组中压阀盖 合金合金螺栓断裂失效分析[J] 火力发电， 江涛， 王建光， 张志波， 等 超超临界机组镍基螺栓断裂失效分析[J] 火力发电， 杨超， 冯立忠， 吴洪涛， 等 超超临界汽轮机螺栓断裂断裂原因分析[J] 理化试验（物理体积）， 舒德林 工程材料力学性能[M] 北京： 机械工业出版社， 韩光伟， 冯迪， 邓波， 等.合金的显微组织与抗氧化性能[J] 钢铁研究学报， MAL， Changk M，Mannansk 氧化物诱导裂纹闭合：Inconel合金中异常时间依赖疲劳裂纹扩展的解释 J] Scriptamaterialia， 李铁凡 金属晶界在高温氧化中的作用[J] 中国腐蚀与防护学报， 沈志， 沈宏伟， 孙峰， 等.合金热处理工艺的热力学评价与成分设计[J] 动力工程学报， 段辉， 甄晓辉， 吴瑞红 热处理对合金组织与拉伸性能的影响[J]热加工技术， 贾欣云， 赵玉新， 张绍伟 时效对低膨胀高温合金组织与性能的影响[J] 金属热处理， 文章**—材料和测试网络。