氟橡膠F275對某鈦合金零件應力腐蝕失效分析

肖國華,張 翔,秦鵬高

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學院,寧波 315012;2.寧波博威集團,寧波 315135)

氟橡膠F275對某鈦合金零件應力腐蝕失效分析

肖國華1,張 翔1,秦鵬高2

(1.浙江工商職業(yè)技術(shù)學院,寧波 315012;2.寧波博威集團,寧波 315135)

對在氟橡膠F275裂解環(huán)境下進行腐蝕失效試驗的某鈦合金試驗套筒斷口進行了失效分析,確定了套筒的斷裂性質(zhì),分析了斷裂原因.套筒的斷裂性質(zhì)為應力腐蝕斷裂,試驗溫度下氟橡膠的裂解是套筒發(fā)生應力腐蝕斷裂的主要原因.

鈦合金;斷裂;應力腐蝕;失效;裂解;裂紋

0 前 言

某地面大型設(shè)備在試機后進行分解檢查時發(fā)現(xiàn),裝配有F275橡膠圈的某鈦合金高速轉(zhuǎn)盤內(nèi)孔出現(xiàn)較多的長短不一的裂紋,對此進行了故障模擬試驗.試驗過程中,根據(jù)現(xiàn)場測試的環(huán)境溫度場數(shù)據(jù)和有限元計算分析結(jié)果,采用了與該零件相同材料的合金套筒進行失效分析模擬試驗,試驗件如圖1所示,套筒工作段長度76mm,在套筒內(nèi)腔裝有一柱塞,材料為耐高溫合金鋼,心軸沿軸向有4個凹型F275橡膠圈安裝槽,試驗件共6套,每套試驗件均裝有4根F275橡膠.套筒試驗制度情況見表1.主要的檢驗情況包括有斷口宏微觀觀察,斷口附近的加工痕跡檢查及微觀形貌分析,組織及顯微硬度測定.通過對套筒斷口附近的裂紋形貌進行觀察分析,確定了套筒的斷裂性質(zhì),分析了其斷裂原因.

表1 套筒試驗情況

1 試驗結(jié)果

1.1 外觀檢查

試驗套筒典型宏觀形貌解剖件見圖1.套筒一端有一圓形阻隔邊.從圖1可以看出,3#套筒內(nèi)壁為烏黑色,距阻隔邊約20mm的內(nèi)壁上可見明顯的加工痕跡.4#、5#、6#套筒在距阻隔邊約20mm的位置發(fā)生了周向開裂,開裂位置處未見明顯的塑性變形(見圖2).

圖1 套筒外形及剖切圖

1.2 斷口宏觀檢查

4#套筒斷口宏觀形貌見圖2(a).斷口顏色明顯不同,瞬斷區(qū)呈銀灰色,占斷口總面積的65%左右;顏色發(fā)暗的區(qū)域可進一步細分為兩個區(qū)域:Ⅰ區(qū)和Ⅱ區(qū),其中Ⅰ區(qū)呈烏紫色,Ⅱ區(qū)呈灰黑色,烏紫色區(qū)已貫穿了整個套筒壁厚,灰黑色區(qū)尚未貫穿套筒內(nèi)壁.根據(jù)套筒工作環(huán)境和斷口宏觀形貌,可以判定開裂從套筒內(nèi)壁起始,且起裂位置起源于F275橡膠圈和內(nèi)壁的接觸位置.

5#套筒斷口宏觀形貌見圖2(b),5#套斷口瞬斷區(qū)呈銀灰色,約占整個斷面的60%.顏色發(fā)暗的區(qū)域可進一步細分為三個區(qū)域:Ⅰ區(qū)、Ⅱ區(qū)和III區(qū),其中Ⅰ區(qū)呈煙灰色、Ⅱ區(qū)呈藍灰色、III區(qū)呈紫黃色,Ⅰ區(qū)和III區(qū)之間有弧形的界面.Ⅱ區(qū)和瞬斷區(qū)之間有近似弧形的界面.根據(jù)套筒工作環(huán)境和斷口宏觀形貌,可以判定開裂從套筒內(nèi)壁起始.觀察發(fā)現(xiàn),5#套筒斷口起裂位置也起源于F275橡膠圈和內(nèi)壁的接觸位置.

6#套筒斷口瞬斷區(qū)呈銀灰色,約占整個斷面的70%.顏色發(fā)暗的區(qū)域表現(xiàn)為煙灰色和/或藍灰色,其斷口形貌與5#類似.根據(jù)套筒的工作環(huán)境和斷口宏觀形貌,可以判定開裂從套筒內(nèi)壁起始.6#套筒斷口起裂位置并不完全與F275橡膠圈和內(nèi)壁的接觸位置相對應,這一點從6#套筒斷口起源位置多于4個(F275膠圈四個)也可看出.

圖2 套筒斷口典型宏觀形貌

1.3 斷口微觀觀察及能譜分析

在掃描電鏡下對斷口進行觀察和能譜成份分析.4#套筒斷口表現(xiàn)為多源起裂特征,斷裂Ⅰ區(qū)(主要的起源和擴展區(qū))低倍形貌見圖3(a),高倍形貌見圖3(b),斷裂Ⅰ區(qū)裂紋從加工刀痕處起始,表現(xiàn)為多點起源;斷裂Ⅰ區(qū)中間位置的斷面上覆蓋物明顯,可見較多的二次裂紋,主要表現(xiàn)為沿晶解理斷裂形貌,并伴隨有微觀塑性變形,特征.4#套筒斷口上未見明顯的疲勞條帶.4#套筒斷口上,另一起源區(qū)也表現(xiàn)為多點起源特征.

圖3 4#套筒斷口斷裂I區(qū)起源位置的形貌特征

對斷裂Ⅰ區(qū)的加工刀痕處、裂紋源區(qū)、裂紋擴展中期、裂紋擴展后期進行能譜成份分析,結(jié)果見表2,可見斷口上覆蓋有較多的F、C、O元素,斷裂Ⅰ區(qū)不同位置處的F元素含量差別不大.能譜成份分析結(jié)果表明,其斷面上F的質(zhì)量分數(shù)約為34.29%.根據(jù)斷口微觀觀察結(jié)果和能譜分析結(jié)果,可以判斷,斷面上的不同顏色區(qū)域,應主要與覆蓋物元素含量有關(guān).

表2 4#套筒斷口斷裂Ⅰ區(qū)能譜成份分析結(jié)果

5#套筒斷口也表現(xiàn)為多源起裂特征,斷裂Ⅰ區(qū)(主要的起源和擴展區(qū))低倍形貌見圖4(a),高倍形貌見圖4(b),源區(qū)覆蓋嚴重,未見明顯的加工缺陷和冶金缺陷;

圖4 5#套筒斷裂I區(qū)起源位置的形貌特征

斷裂Ⅰ區(qū)中間位置覆蓋物明顯,可見較多的二次裂紋,主要表現(xiàn)準解理斷裂形貌及腐蝕坑,并伴有微觀塑性變形特征及泥狀花樣.5#套筒斷口上的起源區(qū)的斷裂形貌也表現(xiàn)為多點起源特征.對斷裂Ⅰ區(qū)、斷裂Ⅱ區(qū)、斷裂Ⅲ區(qū)進行能譜成份分析,結(jié)果見表3,不同顏色的區(qū)域均覆蓋有較多的F、C、O等元素.根據(jù)斷口微觀觀察結(jié)果和能譜分析結(jié)果,可以判斷,斷面上的不同顏色區(qū)域,應主要與覆蓋物元素含量有關(guān).

表3 5#套筒斷口能譜成份分析結(jié)果(wt.%)

6#套筒斷口也表現(xiàn)為多源起裂特征.對其中的一個主要斷裂區(qū)進行觀察,斷面上覆蓋物明顯,起源區(qū)未見明顯的加工缺陷和冶金缺陷.6#套筒斷口微觀斷裂特征與4#、5#套筒斷口無明顯差別,主要表現(xiàn)準解理斷裂形貌,并伴有微觀塑性,變形特征見圖5(a).6#套筒斷口的瞬斷區(qū)均表現(xiàn)為韌窩斷裂,特征見圖5(b).

圖5 6#套筒斷裂區(qū)起源位置的形貌特征

1.4 斷面附近痕跡及形貌檢查

(1)視頻檢查

在視頻顯微鏡下對4#、5#、6#套筒斷口起裂位置附近的加工痕跡進行檢查,發(fā)現(xiàn)5#套筒斷口側(cè)面加工痕跡明顯,4#次之、6#最不明顯,3#套筒內(nèi)壁呈烏黑色.

(2)SEM觀察

在掃描電鏡下對4#、5#、6#套筒斷口附近的形貌及3#套筒內(nèi)壁的形貌進行了觀察.

圖6 套筒內(nèi)壁形貌特征

4#套筒斷口側(cè)表面可見較多的裂紋及腐蝕坑,與斷口平行的裂紋有明顯的分叉現(xiàn)象,見圖6(a).5#套筒斷口側(cè)表面也可見裂紋及腐蝕坑,還可見從腐蝕坑起始的微裂紋,見圖6(b).6#套筒斷口側(cè)表面也可見微裂紋及腐蝕坑,見圖6(c).3#套筒內(nèi)壁表面形貌為覆蓋物特征,該特征與4#、5#、6#套筒斷口起源區(qū)形貌基本相同.

1.5 4#套筒斷口附近裂紋形貌觀察

在4#套筒斷口附近截取金相試樣并進行觀察,觀察面為縱截面[1,2].觀察發(fā)現(xiàn),在斷口附近存在裂紋,其中一條裂紋擴展深度較深,接近穿透管壁,裂紋擴展過程中可見明顯的分叉現(xiàn)象,另一條裂紋擴展深度較淺,見圖7,經(jīng)腐蝕后觀察發(fā)現(xiàn)裂紋呈沿晶擴展,且呈準解理形貌.

圖7 4#套筒斷口附近裂紋擴展形貌

1.6 金相組織觀察

制取金相試樣,用0.5%的 HF酸溶液侵蝕后進行觀察,觀察面垂直于試樣軸線.3#、4#、5#、6#套筒均表現(xiàn)為雙態(tài)組織,等級都為8-9級,組織無明顯差異.

1.7 顯微硬度測定

對上述試樣進行顯微硬度測定,測定結(jié)果見表4,可見3#、4#、5#、6#套筒的顯微硬度差別不大.

表4 套筒顯微硬度測定結(jié)果(HV0.2)

2 分析與討論

套筒斷裂性質(zhì)確認:4#套筒和5#套筒按表1的試驗制度進行380℃/530MPa的蠕變-疲勞交互作用試驗(以蠕變?yōu)橹?,分別在循環(huán)約105 h、88 h后發(fā)生斷裂.對于4#、5#套筒鈦合金而言,套筒斷口宏微觀斷裂形貌基本相同,宏觀斷口均呈現(xiàn)出典型的裂紋擴展斷裂特征(斷口平直主應力垂直,無明顯的塑性變形),斷面上有較多的F、C、O等元素,微觀斷口主要表現(xiàn)為裂紋源點有明顯的腐蝕坑,局部呈準解理斷裂形貌,并伴有微觀塑性變形特征,可見明顯的二次裂紋.其蠕變斷裂特征主要表現(xiàn)為:斷口宏觀縮頸現(xiàn)象較為明顯,微觀上大多為韌窩形貌,沿晶開裂特征明顯.從4#、5#套筒的試驗制度看,4#、5#套筒進行的是以蠕變?yōu)橹鞯娜渥?疲勞交互作用試驗,蠕變的靜載拉伸作用時間在整個試驗周次中占有絕對優(yōu)勢,應力雖稍高,但遠低于合金材料的屈服強度,套筒壽命的絕大部分可能消耗在裂紋萌生上,兩個套筒應同為疲勞斷裂.結(jié)合斷口形貌觀察,主要體現(xiàn)為腐蝕開裂擴展特征;所以,鑒于4#、5#、6#套筒斷口宏微觀形貌基本相同,筒側(cè)表面的裂紋在擴展過程中呈現(xiàn)相同的分叉現(xiàn)象明顯(應力腐蝕裂紋的典型形貌),可以判斷,4#、5#、6#套筒的斷裂性質(zhì)相同,同為應力腐蝕斷裂.

6#套筒按表1試驗制度進行380℃/530MPa的蠕變試驗,循環(huán)約63 h后發(fā)生斷裂.6#套筒斷口觀察表明,其宏觀塑性變形不明顯,斷口微觀主要表現(xiàn)為準解理斷裂形貌,并伴有微觀塑性變形特征,可見明顯的二次裂紋,同時斷面上有較多的F、C、O元素;斷口側(cè)表面可見與斷面平行的裂紋及腐蝕坑形貌.鑒于6#套筒斷口宏微觀形貌特征與進行蠕變-疲勞試驗的 4#、5#套筒斷口形貌特征基本相同,結(jié)合套筒的試驗情況和試驗環(huán)境,分析認為6#套筒的斷裂性質(zhì)也為應力腐蝕環(huán)境下的蠕變開裂,即在該應力、溫度及腐蝕環(huán)境下,6#套筒的蠕變變形特征不明顯,主要表現(xiàn)為應力腐蝕開裂形貌特征.

3 結(jié) 論

4#、5#、6#套筒三個斷口均表現(xiàn)為裂紋擴展斷裂特征,斷裂區(qū)覆蓋有較多的F、C、O元素;且套筒內(nèi)壁存在明顯的腐蝕坑和微裂紋特征;因此可以判斷,4#、5#、6#套筒的斷裂原因主要是由于氟橡膠在該試驗溫度下發(fā)生裂解,使套筒內(nèi)壁發(fā)生腐蝕,從而在試驗應力作用下發(fā)生開裂,筒的斷裂性質(zhì)為應力腐蝕開裂,疲勞斷裂,試驗溫度下氟橡膠的裂解是4#、5#、6#套筒發(fā)生應力腐蝕斷裂的主要原因,套筒壽命的差異應主要與內(nèi)壁的表面完整性、套筒壽命的分散性有關(guān).

[1]蘇錫九,陳 英.金屬材料斷口分析及圖譜[M].北京:科學出版社,1991:22-24.

[2]曾祥華.宏觀斷口學及顯微斷口學[M].北京:機械工業(yè)出版社,1990:5-20.

[3]張衛(wèi)方,陶春虎,習年生,高 威,劉高遠.斷口反推疲勞應力及其在葉片斷裂分析中的應用[J].材料工程,2003,(1).

[4]謝明立,習年生,陶春虎.疲勞應力變幅的斷口反推研究[J].航空材料學報,2000,(4).

F275 Rubber for Some Titanium Alloy Parts Stress Corrosion Failure Analysis

XIAO Guo-hua1,ZHANG Xiang1,QIN Peng-gao2
(1.Zhejiang Business Technology Institute,Ningbo 315012,China;2.Ningbo Bwei Group Co.,LTD,Ningbo 315135,China.)

In this paper,investigating a cracking test for some titanium sleeves is done under the environment of fluorine rubber F275 splitting decomposition,and the fracture failure is analyzed.The main cause for the sleeve craking is stress corrosion.Pyrolysis of fluoro rubber under the test temperature conduces the sleeve of stress corrosion cracking occurring.

titanium alloy;fracture;stress corrosion;failure;splitting decomposition;cracking

TH142.3

A

1671-119X(2011)01-0031-04

2010-09-05

肖國華(1979-),男,工程師,研究方向:材料成型.