17-7PH沉淀硬化不锈钢安全阀弹簧断裂原因分析

美国自1948年研制出17-7PH钢后，先后研制出15-5PH，17-4PH，PH13-8Mo等牌号，并在F-15飞机上应用以替代传统的高强度合金钢。采用高强度沉淀硬化型不锈钢替代传统的高强度合金钢不仅可提高零件的使用寿命，缩短维修周期，而且可降低制造成本（避免电镀处理工序）和减少环境污染^[1]。17-7PH不锈钢（0Cr17Ni7Al）属半奥氏体沉淀硬化高强度不锈钢，该钢具有耐蚀性强、冷加工性能良好、热处理强化的优点^[2]。

国外学者Lojewski C等^[3]研究了双相不锈钢在暴晒场的抗大气腐蚀性，Asami等^[4]认为大气暴露前表面膜中的铬含量决定不锈钢的抗大气腐蚀程度。国内学者李国俊等^[5]研究了微量稀土元素对0Cr17Ni7Al不锈钢力学性能的影响，文献[6]通过耐蚀性试验说明0Cr17Ni7Al沉淀硬化不锈钢具有优良的抗均匀性腐蚀、抗晶间腐蚀和抗腐蚀性能，王晴晴等^[2]研究了海洋大气环境下17-7PH不锈钢的接触腐蚀行为。对于17-7PH不锈钢弹簧类零件在腐蚀性环境中发生的应力腐蚀断裂行为研究报道较少，笔者针对此类典型案例进行分析，提出合理的改进和预防措施。

1.1 故障背景

某安全阀弹簧服役过程中出现3套外弹簧断裂，爆破片完好，罐体未超压。断裂弹簧自2015年7月开始服役，累计使用时间约59个月，同时服役的同批次弹簧共35套。断裂的安全阀弹簧安装在2000L移动罐体上，产品服役地位于某近海化学工业园区内。安全阀规格为Fort Vale 65mm SuperMaxi High flow，爆破片设定压力为1.365MPa，安全阀起跳压力为1.379MPa，断裂弹簧材质为17-7PH沉淀硬化不锈钢。

1.2 试验方法

采用日立S3400型扫描电镜分析弹簧断口。在断口上代表性位置截取横截面进行金相分析，依次经过切割、镶嵌、磨抛、腐蚀，置于型号为DM15000M莱卡显微镜下观察。在高倍试样金相磨面上采用型号FM-700显微维氏硬度计测试硬度，试验载荷300g。采用型号为ARL3460的直读光谱仪分别对失效弹簧和完好弹簧进行化学成分分析。

2.1 外观检查

安全阀弹簧安装位置如图1所示。由图1可以看出，弹簧下端面暴露在环境中，外弹簧已断裂。失效弹簧宏观形貌如图2所示。断口位于紧靠下端面第三圈弹簧处，断口为斜面。弹簧端面外观形貌如图3所示。由图3可以看出，下端面附近存在明显腐蚀特征，上端面未见腐蚀，其余2套弹簧与此件类似，表面腐蚀均集中在内外弹簧下端面附近。弹簧断口宏观形貌及源区外表面宏观形貌如图4所示，可见断口及周围均未见明显塑性变形特征，断口上可见明显腐蚀特征，腐蚀产物呈红褐色和黑色，断口如图4a箭头所示可分为源区、扩展区、终断区等三个区域，源区外表面存在明显磨损痕迹（图4b箭头处）。断裂的3套弹簧断口外表面、以及未断裂的2套弹簧对应位置，均存在磨损痕迹和腐蚀特征，该磨损腐蚀位置均位于靠近弹簧下端面第三圈内侧。

2.2 断口分析

断口微观形貌如图5所示，源区及起始扩展区断口可见龟裂、泥纹花样等典型的应力腐蚀断口特征（图5a），源区外表面也可见大量腐蚀产物（图5b）。扩展区中期（第二阶段）存在明显裂纹扩展放射线，微观断口可见沿晶特征（图5c），晶面局部可见鸡爪纹撕裂痕迹（图5c箭头处）。终断区微观可见剪切韧窝形貌（图5d）。

2.3 金相分析

在失效件断口上截取金相试样，经磨制、抛光，并采用5gFeCl₃+50mlHCl+100mlH₂O 溶液浸蚀后，在光学显微镜上观察，断口附近金相组织如图8所示。断口源区附近抛光态组织未见明显原始裂纹、孔洞、夹杂等冶金缺陷（图8a）。断口源区附近腐蚀态显微组织可见裂纹基本沿晶粒扩展，个别晶粒因腐蚀局部缺失，断口附近的金相组织为马氏体+少量化合物（图8b）。裂纹横向扩展到弹簧中部时向基体内部呈树枝状纵向扩展（图8c），显微组织沿弹簧纵向变形方向分布，基体显微组织为马氏体+少量化合物（图8d），该组织符合17-7PH材料冷变形后再经时效处理形成的显微组织。

2.4 硬度梯度试验

分别对2件失效件（编号为A1、A2）及1件完好件（编号为B1）进行显微硬度梯度试验，测试结果图9，可见3件弹簧的平均硬度值分别约为474HV0.3，498 HV0.3，491 HV0.3，转化为洛氏硬度分别约为47.5HRC、49.0HRC、48.6HRC，3件弹簧硬度相当，且均高于17-7PH材料时效硬化后要求的最低硬度值43HRC。从图9可以看出，表面至基体内部硬度变化不大。

2.5 化学成分分析

公司简介