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摘 要

00Cr13Ni5Mo超低碳不锈钢具备良好的强度、韧性、可焊性及耐磨蚀特性，所以常用于大型水电站耐磨蚀转轮、核工业中应用于压水堆2、3级辅助泵传动轴等。本文对某公司DHZ700、DHZ500、DHZ470的00Cr13Ni5Mo材料转鼓表面开裂进行了裂纹显微形貌、断口成分，显微硬度分析，本文主要研究内容和结论如下：

(1) 00Cr13Ni5Mo转鼓表面开裂绝大部分是沿晶开裂，少部分是穿晶开裂。

(2) 在水溶液中或或者在弱酸条件下，由于金属表面的位错、晶界和相界等微观的缺陷以及转鼓在高速旋转的工作应力作用下，局部氧化膜容易破裂导致露出新的金属表面，从而消耗氧的阴极析氢反应，析出的氢在进入钢后在某些部位（缺陷或裂纹尖端）时聚集。氢的存在使材料的塑性区膨胀氢导致塑性区的扩大，而这又促进了氢的扩张与积聚。同时由于表面的氧化膜不断的破裂使得金属活化以很快的速度溶解，使得金属表面形成缺陷，在应力的共同推动下而形成明显的缺陷进一步形成了新的裂纹源。

(3) 00Cr13Ni5Mo转鼓表面开裂的主要原因是分离介质中存在氢离子和水导致阴极析氢产生沿晶应力腐蚀开裂。

关键词：00Cr13Ni5Mo 转鼓 应力腐蚀 析氢反应 开裂原因

Cracking Analysis of 00Cr13Ni5Mo Ultra-low Carbon Stainless Steel

ABSTRACT

00Cr13Ni5Mo Ultra-low Carbon Stainless Steel with good strength, toughness, weldability and wear resistance characteristics, it is commonly used in large-scale hydropower station wear erosion runner, nuclear industry used in pressurized water reactor 2,3 auxiliary pump drive shaft The In this paper, the crack microstructure, fracture composition and microhardness analysis of the cracking of 00Cr13Ni5Mo material drum of DHZ700, DHZ500 and DHZ470 are carried out. The main contents and conclusions are as follows:
(1) 00Cr13Ni5Mo drum surface cracking is the vast majority of intergranular cracking, a small part of the transgranular cracking.
(2) In the aqueous solution or under weak acid conditions, the local oxide film is easily broken due to microscopic defects such as dislocation of the metal surface, grain boundary and phase boundary, and the working stress of the drum under high-speed rotation. Metal surface, which consumes oxygen cathodic hydrogen evolution reaction, the precipitation of hydrogen into the steel in some parts (defects or crack tip) when gathered. The presence of hydrogen causes the expansion of the plastic zone in the plastic zone of the material, which in turn promotes the expansion and accumulation of hydrogen. At the same time, due to the continuous rupture of the oxide film on the surface, the metal activation is dissolved at a rapid rate, so that the metal surface is defective, and the obvious defects are formed under the common stress to further form a new crack source.
(3) 00Cr13Ni5Mo drum surface cracking is the main reason for the presence of hydrogen ions in the separation medium and water lead to cathodic hydrogen evolution generated along the crystal stress corrosion cracking.

Key word: 00Cr13Ni5Mo; Stress corrosion; Hydrogenation reaction; Causes of cracking

目 录

摘 要 I

ABSTRACT I

第一章 绪 论 1

1.1 课题的研究背景及意义 1

1.2 应力腐蚀开裂 1

1.2.1 应力腐蚀开裂特征 1

1.2.2 应力腐蚀机理 2

1.2.3 应力腐蚀开裂过程 2

1.3热加工过程中温度控制不当引起开裂 2

1.4 疲劳开裂 3

1.5 工件材质中含碳量过高 3

1.6 焊接残余应力 3

1.6.1 焊接残余应力产生 4

1.6.2 焊接残余应力的消除 4

1.7 课题研究内容及技术路线 4

第二章 失效分析及实验材料与手段 6

2.1失效分析的意义与任务 6

2.1.1失效分析及其意义 6

2.1.2失效分析的任务 6

2.2失效分析技术内涵 6

2.2.1失效模式与失效机理 6

2.2.2失效分析技术思路及程序 6

2.3 实验材料基本概况 8

2.4 实验手段 10

2.4.1 金相实验 10

2.4.2 扫描电子显微镜分析 10

2.4.3 电子能谱分析 10

第三章 实验数据以及分析 12

3.1 00Cr13Ni5Mo材料性能 12

3.2 转鼓制造加工工艺 12

3.3 裂纹显微形貌 13

3.4 断口成分分析 15

3.5 显微硬度 17

3.6 开裂原因分析 18

3.7 改进措施 19

第四章 结论 20

参考文献 21

致 谢 23

第一章 绪 论

1.1 课题的研究背景及意义

在我国现有的正在使用的大型混流式的水轮机叶片在使用的过程中出现过很多开裂现象。超低碳不锈钢材料是近些年来用在大型水轮机的主要材料之一^[1] 。00Cr13Ni5Mo不锈钢是在13Cr不锈钢的基础上采取降碳， 控制镍含量在 4%~6%，增加微量的合金元素钼的方式而形成^[2]。00Cr13Ni5Mo钢为低碳不锈钢中重要的一种，00Cr13Ni5Mo钢有高强度，高硬度以及非常好的韧性以及可焊接性，非常好的抗腐蚀以及抗腐蚀疲劳等特点^[3-6]。00Cr13Ni5Mo不锈钢主要是将不锈钢中的碳含量降至0.03%以下，并且增加其镍含量形成的一类高强度和高韧性的新钢种^[7]。

不锈钢在使用的过程中会接触到各种不同类型的腐蚀介质，这导致大量的零部件会因为腐蚀而造过早的失效，从工业部门提供的大量实际案例分析统计说明，由应力腐蚀从而引起的不锈钢的湿态腐蚀破坏已经占到这类事故的第一位，达到 40~60%^[8].

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