某型海面飞行器用阀门断裂原因的失效分析

岳轩 卢猛

【摘 要】 综合运用宏观形貌、化学成分、金相显微组织、SEM微观形貌及X射线能谱分析手段，对阀门壳体断裂进行了失效分析。结果表明：导致阀门壳体螺纹管根部断裂原因是应力腐蚀开裂。针对影响应力腐蚀开裂的因素，提出阀门应选择耐应力腐蚀的材料、优化结构降低应力状态、完善成形加工工艺等措施，避免此类失效发生。

【关键词】 阀门断裂 应力腐蚀 失效分析

2012年9月，某型海面飞行器用阀门在库房存放时，其阀门壳体与瓶体连接的螺纹管根部突然发生断裂故障，断裂后，阀门冲破包装箱飞出。该气源装置工作介质为氦气，工作压力30MPa，工作温度常年大于20℃。装置于2010年12月交付使用，一直存放于库房包装箱内（非密封）。

阀门与气瓶组件通过M22×2的螺纹连接固定，共同组成某系统气源装置。阀门壳体由铝合金挤压棒7A09，T6状态棒材机加而成，表面经铝合金铬酸阳极化处理。

由于该气源系统长期处在高压、高湿、盐雾气氛等恶劣的存储和使用环境当中，一旦失效，不仅影响其使用性能，还可能影响人员及整个装备系统安全性。因此，对阀门出现的断裂原因进行深入分析和探讨，从根本上解决阀门断裂故障，避免失效再次发生。

1 理化检验与结果

1.1 断口宏观形貌

通过体式镜对阀门壳体断口进行宏观形貌观察，如下图所示，断裂位置在阀门壳体与气瓶组件连接的螺纹根部；断口呈银灰色，断面平齐，与表面基本垂直，无明显的塑性变形，形貌上有平行于断口方向的条形特征，见图1，阀门壳体其它表面完好，未见明显的变形或异常损伤痕迹。

断裂部位的螺纹根部圆弧过渡，倒角半径为0.3mm，满足设计要求R0.3。

1.2 材质及力学性能分析

为考察阀门壳体材质是否与失效有关，通过对阀门壳体取样进行化学成分分析，其化学成分符合7A09-T6 GB3191-1982要求[1]，其材料化学成分如表1所示。

在阀门壳体断口附近取样进行硬度测试，将其转换为强度，测结果符合高强度7A09铝合金T6状态棒材力学性能要求，如表2所示。

1.3 金相组织分析

沿平行于断口平面方向磨取金相试样，腐蚀后对其组织进行观察观察，阀门壳体材料由α相固溶体及第二相质点组成，见图2，其金相组织正常，无夹杂、气孔等缺陷。另外，在表面附近多处见腐蚀坑，见图3。

1.4 断口微观观察

在扫描电镜下对阀门壳体断口进行微观观察，壳体管螺纹断口的断裂方向如图4中箭头所示。裂纹从平行于棒材轧制方向一侧的螺纹根部表面起始，存在多个腐蚀坑，局部可见氧化膜开裂和多条从腐蚀坑处起始的裂纹特征，其形貌如图5所示。整个断面未发现明显的冶金缺陷。将裂纹源区进一步放大，可以观察到裂纹源区表面已被腐蚀产物覆盖，部分区域呈现沿晶断裂形貌，还可以观察到典型的“泥纹花样”特征，如图6、图7所示。断口大部分区域为扩展区，表面有腐蚀产物覆盖，同时存在较多二次裂纹，形貌如图8所示。

1.5 X射线能谱分析

对断口表面进行X射线能谱分析，结果如图9所示，其中含有较多的Cl元素和S元素。

2 断裂原因

以上分析结果表明，发生断裂的阀门壳体材料成分、机械性能及金相组织均符合标准要求，在断口表面上未发现明显的冶金缺陷，可排除由原材料本身原因造成断裂失效的可能。此外，该气源装置一直存放于库房专用包装箱内，由此排除了外力碰撞等操作不当因素的原因。

通过观察，阀门壳断口平整，与表面垂直，无明显的塑性变形，在宏观上有平行于断口方向的条状特征；在微观上裂纹起始位置以沿晶断裂特征为主，晶界轮廓不清晰，沿晶面上有腐蚀产物，腐蚀产物中含Cl、S腐蚀性元素，而断口其余部位为沿晶+韧窝混合形貌特征，断面上无明显腐蚀产物，这些特征表明阀门的断裂性质为应力腐蚀开裂引起的快速脆性断裂[2]。

应力腐蚀是金属材料在拉应力（包括外加应力、残余应力及热应力等）和特定的腐蚀介质联合作用下所出现的低于其强度极限的脆性破裂现象。应力腐蚀裂纹的形态有晶间型、穿晶型和两者兼有的混合型3种[3]。应力腐蚀大致分为三个阶段：裂纹诱发阶段、腐蚀裂纹增长阶段、应力腐蚀裂纹稳定增长阶段。腐蚀裂纹大体上沿垂直于拉应力的方向发展，裂纹发展到严重阶段，便从断面裂开，端口呈现出脆性断裂的特征[4]。金属材料发生应力腐蚀的三要素为：金属材料、应力和特定的腐蚀介质。金属只有在特定的介质中才发生应力腐蚀开裂，即对于一定的金属材料，需要有一定特效作用的离子、分子或化合物才会导致构件的应力腐蚀开裂。它们的浓度有时甚至很低，例如：铝合金与海水、海洋大气、NaCl+H2O等介质[5] 。

应力腐蚀阳极溶解理论认为[7]：合金在应力和腐蚀介质的作用下，表面的氧化膜被破坏，而破坏处相对于其余有膜覆盖的表面来说是阳极，金属原子溶解成为离子，形成沟形裂纹。当裂纹向纵深处发展时，应力集中于裂纹尖端处，使附近区域发生微小塑性变化。这种情况又反过来加速阳极溶解，阻止膜的再生，同时在裂纹两边因有效应力很快消失，再生成膜又可以形成阴极。这样裂纹在应力持续作用下，通过电化学过程反复作用，最终导致金属裂纹发展、直至开裂。

综合分析阀门壳体断裂的各方面因素，可以归纳有以下几个因素：

（1）阀门壳体材料使用超硬铝7A09，T6状态，该状态合金强度最高，但是应力腐蚀腐蚀敏感度也高，材料的高向或周向具有严重的应力腐蚀倾向[6]。

（2）该气源装置存放于南方沿海仓库，非密封包装，与大气中的水汽、盐分直接接触。为铝合金材料应力腐蚀提供了特定的介质。

（3）从故障件受力情况来看，断裂部位为阀门壳体螺纹管与阀体连接处，该处设计倒角R0.3，存在应力集中的现象。阀门内充30MPa压力的气体，阀门内部高压致使螺纹环承受较大拉伸应力。螺纹管安装时，拧紧扭矩进一步增大了以上拉伸应力，并产生部分残余扭应力。又由于阀门螺纹管表面阳极氧化膜与基体金属的延展性存在差异，在拉伸、扭应力作用下，阳极氧化膜层被破坏，使裸露的基体金属与氧化膜在特定的腐蚀介质中形成电化学腐蚀的阳极和阴极，发生电化学反应，使裂纹持续较快发展。

（4）从工艺的角度分析，阀门壳体螺纹管断面与棒材轧制方向平行，由于材料的各向异性[8]，材料各种取向之间的机械性能和应力腐蚀倾向具有明显差异性，这在一定程度上削弱了阀门与瓶体连接的螺纹根部承载能力，也是导致断裂失效的一个原因。

3 结论与建议

3.1 结论

阀门壳体材料为高强度变形铝合金7A09，T6状态，该状态对应力腐蚀较敏感；产品存放于沿海地区，具有潮湿的盐雾气氛，这为应力腐蚀提供了腐蚀介质；阀门在内压与拧紧力的作用下在螺纹根部产生拉、扭应力，且存在应力集中现象；阀门与气瓶连接螺纹受力方向与棒材轧制方向相同，一定程度上削弱了阀门与气瓶连接螺纹根部的承载能力和抗腐蚀能力。

3.2 建议

（1）阀门壳体的材料改为7A09，T73状态，模锻件。该状态材料具有优异的耐应力腐蚀能力，应力腐蚀门槛值大于300MPa。

（2）在满足使用要求的前提下，增大阀门壳体螺纹根部倒角，增大阀门壳体管螺纹壁厚，降低管螺纹应力状态。

（3）改进阀门壳体的成形加工工艺。考虑阀门壳体与气瓶连接螺纹承力方向与材料取向的关系。同时，考虑到该阀门在海洋湿热盐雾环境下工作，建议阀门壳体使用铝合金阳极化+喷漆的表面防护体系。

（4）改进装配工艺，限制阀门壳体螺纹管安装拧紧力矩，降低螺纹管装配残余应力。

参考文献

[1]王文斌.机械设计手册[M].北京：机械工业出版社，2004：3-290.

[2]陶春虎.军工产品失效分析技术手册[M].北京：国防工业出版社，2009：77-78.

[3]金亚奎.奥氏体不锈钢三通裂纹分析[J].压力容器，2009：32-36.

[4]梁成浩.现代腐蚀科学与防护技术[M].上海：华东理工大学出版社，2007：30-36.

[5]廖景娱.金属构件失效分析[M].北京：化学工业出版社，2003：96-117.

[6]师昌绪.工程材料实用手册[M].北京：中国标准出版社，2002：258.

[7]杜爱华，龙晋明，裴和中.高强铝合金应力腐蚀研究进展[N].中国腐蚀与防护学报，2008-4-28.

[8]师昌绪.金属材料学[M].北京：冶金出版社，2002：258.