波纹管断裂故障分析

　　0　引言

　　波纹管是具有多个横向波纹的圆柱形薄壁折皱的壳体,具有弹性,在压力、轴向力、横向力或弯矩作用下产生位移的一种弹性敏感元件[1]。波纹管在仪器仪表中应用广泛,主要用途是作为压力测量仪表的测量元件,将压力转换成位移或力。波纹管一般选用青铜、黄铜、因康奈尔合金、不锈钢等为材料,管壁较薄,灵敏度较高,测量范围为数十帕到数十兆帕。

　　波纹管在使用过程中,经常会出现开裂或断裂现象,其失效形式多是由环境条件所引起的应力腐蚀(SCC)、点蚀或晶间腐蚀,其中大约80%是由Cl-引起的SCC[2]。也存在因材料厚度不均,表面加工质量较差和由于后续热处理工艺不当[3]而导致波纹管构件失效的。本文通过对波纹管进行实验室失效分析,更为全面系统地阐述了失效机理,查明失效原因,给出了更为合理的改进建议。

　　1　试验过程与结果

　　1.1　宏观检查

　　某发动机在进行300 h试验后,发现其压力信号器波纹管组件断裂,如图1所示。波纹管材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢,其生产主要工艺为:拉伸→液压成形→固溶处理→校正→热稳定→化学抛光(28%硫酸+8%盐酸+4%硝酸+水)→检验。在进行装机试验过程中,波纹管输出位移为1. 2mm,环境温度为-55~150℃,触点动作压力为0. 12~0. 2MPa,工作介质为空气,介质最高温度为360℃。

　　波纹管组件断裂于波纹管第一波纹与第二波纹连接的波谷处,并沿周向完全断裂(图1),波纹管其他部分未见明显塑性变形和划伤痕迹,波纹管断口平齐,并沿纵向存在两条撕裂状裂纹,长度较短。

　　1.2　微观检查

　　失效件断口经超声波清洗后放入扫描电镜下观察(图2)。断口大部分区域擦伤严重,整个断口上仅见到一处具有明显疲劳断裂特征,断裂从波纹管壁内、外两侧起源,并向中间扩展,呈对称状,疲劳弧线明显,疲劳扩展区面积所占比例较大,瞬断区面积很小,扩展区疲劳条带细密,此断裂具有典型两侧起源疲劳断裂特征。在断口侧表面上,可见大致平行于断口方向的细小裂纹(图3)。

　　1.3　内外表面检查

　　在扫描电镜下观察还发现,波纹管的波峰和波谷处都存在明显不同程度的晶间腐蚀和点蚀痕迹,晶间腐蚀迹象表明,波纹管在经化学抛光处理时,由于该材料本身抗蚀性差,在波纹管内外表面均有呈网状的腐蚀痕迹(图4、图5)。

　　1.4　化学成分分析

　　对失效件断口源区进行能谱分析,结果显示为正常材质成分,未见其他杂质和腐蚀性元素;对波纹管材质和表面进行能谱分析,结果见表1,从表1中可以看到它们的成分均符合1Cr18Ni9Ti不锈钢的技术要求。