3Cr13不銹鋼彈片斷裂分析

王 祺，王大為，趙文俠，于 洋

（1.北京航空材料研究院，中國航空工業(yè)集團(tuán)公司失效分析中心，試金石檢測技術(shù)有限公司，北京 100095；2.成都飛機(jī)工業(yè)（集團(tuán)）有限責(zé)任公司，成都 610092）

0 引言

隨著現(xiàn)代工業(yè)和科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對(duì)不銹鋼數(shù)量需求日益增加的同時(shí)，也對(duì)其使用性能提出了更高的要求。3Cr13型不銹鋼系馬氏體不銹耐熱鋼，在淬火、回火后使用具有較好的耐蝕性、熱強(qiáng)性和沖擊韌性。由于該鋼種化學(xué)成分比較簡單，冶煉方法多種多樣，所以在全國范圍內(nèi)應(yīng)用普遍，也是各大鋼廠生產(chǎn)的不銹鋼重點(diǎn)品種之一。由于3Cr13不銹鋼含碳較高，熱處理后可以獲得較高的硬度，主要用于要求高硬度及耐磨性的彈簧、量具、刃具、醫(yī)療器械和餐具等［1］。

某3Cr13馬氏體不銹鋼所制彈片在工作306 min后返廠復(fù)試，復(fù)試測試試驗(yàn)中發(fā)生斷裂。彈片在未油封的情況下存放，外部出現(xiàn)明顯銹蝕；彈片的加工工序?yàn)椋簷C(jī)加成型→熱處理→表面鈍化，其中熱處理工藝為：1 000～1 050℃真空保溫40～60 min后，油冷淬火，然后540±20℃真空回火，保溫70～100 min；表面鈍化工藝為50%（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）HNO3化學(xué)鈍化。由于此彈片處于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)鍵的進(jìn)氣口部位，若出現(xiàn)意外斷裂，會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重后果。本研究通過對(duì)彈片進(jìn)行宏觀檢查，斷口微觀觀察、能譜分析及硬度檢測等方法，以確定彈片斷裂性質(zhì)并查找其斷裂原因，從而為此類故障的分析提供借鑒。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

失效件外側(cè)4個(gè)方向分別安裝有1個(gè)彈片，其中1個(gè)發(fā)生了斷裂。彈片無明顯變形，表面呈黑褐色（圖1）。發(fā)生斷裂的彈片斷口顏色呈灰色，表面較平坦，一端有呈弧狀的紅褐色區(qū)域（圖2）。

圖1 失效件的宏觀形貌Fig.1 Macro-morphology of failed part

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Macro-morphology of fracture surface

1.2 微觀觀察

利用日本電子JSM-5600掃描電子顯微鏡和牛津儀器INCA350能譜儀對(duì)失效彈片斷口紅褐色區(qū)域進(jìn)行形貌觀察和成分分析，斷裂源區(qū)處于紅褐色區(qū)域邊緣中心（圖3a箭頭所指），源區(qū)外側(cè)有明顯的疲勞弧線特征（圖3a）。源區(qū)呈沿晶開裂特征，且存在很多二次沿晶裂紋（圖3b）。源區(qū)存在較多S元素（表1），擴(kuò)展區(qū)中有準(zhǔn)解理特征，瞬斷區(qū)以沿晶斷裂為主（圖3c）。彈片側(cè)面靠近斷口一側(cè)存在微裂紋和明顯晶界，源區(qū)附近呈坑洞形貌（圖3d）。

圖3 斷口形貌特征Fig.3 Morphology of the fracture surface

表1 X射線能譜分析結(jié)果 （質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%）Table 1 X-ray energy spectrum analysis results(mass fraction/%)

將失效彈片剩余部分用外力打開，觀察發(fā)現(xiàn)整個(gè)斷口均為沿晶斷裂（圖4）。

將2片未失效彈片外力斷裂人工打斷后觀察發(fā)現(xiàn)，2個(gè)彈片的斷口均呈沿晶加韌窩的混合斷裂特征（圖5）。兩者比較表明，失效彈片脆性較大。

圖4 失效件的斷口形貌Fig.4 Morphology of man-made fracture of failed part

圖5 未失效件的斷口形貌Fig.5 Morphology of man-made fracture of intact part

1.3 硬度檢測

從失效與未失效彈片切取樣品，磨制拋光后，用Wilson Wolpert 401MVD型顯微硬度計(jì)進(jìn)行硬度檢測，并進(jìn)行維氏硬度轉(zhuǎn)換，結(jié)果見表2?？梢钥闯?，兩種彈片硬度差異明顯，失效彈片硬度偏高。

表2 彈片顯微硬度檢測結(jié)果Table 2 Microhardness testing results of reeds/HRC

2 分析與討論

從斷口的宏、微觀形貌看出，斷口呈點(diǎn)源特征，具有疲勞弧線加準(zhǔn)解理特征的擴(kuò)展區(qū)和韌窩加沿晶開裂形貌的瞬斷區(qū)，具有馬氏體不銹鋼典型的疲勞斷裂特征。

由于源區(qū)有S元素存在，其形貌呈沿晶斷裂特征，結(jié)合失效件在存放時(shí)已經(jīng)出現(xiàn)銹蝕等現(xiàn)象，確定失效件斷裂是應(yīng)力腐蝕開裂造成的。

應(yīng)力腐蝕是指零件在拉應(yīng)力和特定的化學(xué)介質(zhì)共同作用下所產(chǎn)生的低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象［2］。產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕，一般需要以下3個(gè)條件：1）存在一定的拉應(yīng)力。該拉應(yīng)力可能是冷/熱加工、熱處理、焊接或機(jī)械束縛引起的殘余應(yīng)力，也可能是使用條件下的外加應(yīng)力或者是腐蝕產(chǎn)物引起的殘余應(yīng)力；2）純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕破壞，但幾乎所有的合金在特定（敏感）的腐蝕壞境中都會(huì)引起應(yīng)力腐蝕裂紋，添加非常少的合金元素都可能使金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕；3）金屬材料只有在特定的活性介質(zhì)中才會(huì)發(fā)生應(yīng)力腐蝕開裂，即要存在能引起金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕的介質(zhì)，對(duì)于一定的金屬材料而言，需要有一定特效作用的離子、分子或絡(luò)合物才會(huì)導(dǎo)致構(gòu)件的應(yīng)力腐蝕開裂。

將從以下幾點(diǎn)分析斷口源區(qū)開裂的原因：

1）材質(zhì)影響：彈片材料為3Cr13馬氏體不銹鋼，其受到S元素侵蝕影響產(chǎn)生大量的FeS2等硫化物導(dǎo)致不銹鋼應(yīng)力腐蝕開裂已有大量文獻(xiàn)報(bào)道［3-6］；因此，3Cr13 馬氏體不銹鋼對(duì) S 元素的應(yīng)力腐蝕敏感性較高。

2）應(yīng)力問題：彈片經(jīng)機(jī)械加工而成，在加工過程中不可避免地會(huì)產(chǎn)生一定的殘余應(yīng)力；在與導(dǎo)氣立柱進(jìn)行裝配時(shí)，為使氣流能夠從特定方向噴出，須將彈片以一定彎曲度固定在立柱兩邊的固定支點(diǎn)上，此時(shí)彈片會(huì)一直受到一個(gè)恒定的拉應(yīng)力作用。

3）腐蝕條件問題：經(jīng)能譜分析結(jié)果表明，斷口源區(qū)有相當(dāng)含量的S元素存在，說明材料受到了S和硫化物的侵蝕。由于彈片在未油封的情況下存放導(dǎo)致表面出現(xiàn)銹蝕，證明空氣或環(huán)境中的S等腐蝕性介質(zhì)被引入材料中。

彈片在使用過程中受到發(fā)動(dòng)機(jī)的振動(dòng)載荷和腐蝕介質(zhì)的共同作用，使晶界弱化，韌性降低，脆性增大，并產(chǎn)生腐蝕坑洞，萌生沿晶裂紋，導(dǎo)致開裂源區(qū)的形成。源區(qū)裂紋產(chǎn)生后，在發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)載荷的作用下繼續(xù)擴(kuò)展，最終導(dǎo)致彈片疲勞斷裂。

3 結(jié)論

1）彈片受到應(yīng)力腐蝕作用，萌生沿晶裂紋，之后發(fā)生疲勞擴(kuò)展，導(dǎo)致彈片斷裂失效；

2）建議加強(qiáng)彈片使用前的存放管理，避免受腐蝕介質(zhì)的侵蝕。

［1］張平.熱處理工藝對(duì)Cr13型不銹鋼組織和性能的影響［D］.重慶:重慶大學(xué),2007.

［2］張棟,鐘培道,陶春虎,等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2003.

［3］胡曉輝.3Cr13鋼彈片斷裂分析［J］.理化檢驗(yàn)-物理分冊(cè),2005,41:515-517.

［4］張棟,鐘培道,陶春虎,等.機(jī)械失效的實(shí)用分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社,1997.

［5］陶春虎,鐘培道,王仁智,等.航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的失效與預(yù)防［M］.北京:國防工業(yè)出版社,2002.

［6］徐州玨.飛機(jī)水平安定面后梁裂紋原因分析［J］.失效分析與預(yù)防,2010,5（2）:106-109.