51CrV4彈簧鋼環(huán)箍斷裂失效分析

張凱，王長朋，佘祖新，文邦偉，譚勇

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51CrV4彈簧鋼環(huán)箍斷裂失效分析

張凱1,2，王長朋1,2，佘祖新1,2，文邦偉1,2，譚勇1,2

（1. 西南技術(shù)工程研究所，重慶 400039；2. 重慶市環(huán)境腐蝕與防護(hù)工程技術(shù)研究中心，重慶 400039）

研究51CrV4彈簧鋼環(huán)箍出現(xiàn)斷裂失效原因。通過化學(xué)成分分析、力學(xué)性能分析、斷口掃描分析、顯微組織分析及能譜分析測試手段，對51CrV4彈簧鋼環(huán)箍的斷裂模式及失效原因進(jìn)行分析。長時(shí)間處于拉應(yīng)力狀態(tài)，致使51CrV4彈簧鋼環(huán)箍內(nèi)表面棱邊萌生裂紋源；同時(shí)，在腐蝕介質(zhì)和應(yīng)力的協(xié)同作用下，S元素加速腐蝕進(jìn)程，腐蝕產(chǎn)物積累，加快腐蝕微裂紋的擴(kuò)展，最終導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂失效的發(fā)生。通過合理的選材、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)工藝，嚴(yán)格控制原材料成分，降低應(yīng)力水平和環(huán)境嚴(yán)苛度，使應(yīng)力腐蝕出現(xiàn)概率大大減小。

51CrV4；環(huán)箍；斷裂；應(yīng)力腐蝕

環(huán)箍/卡箍是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)件，通常用作管件、線纜束等的固定或連接零件，廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車等領(lǐng)域。在使用過程中，受使用環(huán)境、自身制造缺陷以及過/欠裝配等原因的影響，引起其發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂失效，導(dǎo)致漏氣、漏油等故障發(fā)生，影響產(chǎn)品運(yùn)行安全[1-5]。環(huán)箍/卡箍的斷裂機(jī)制包含三種：零件熱成形工藝控制不到位，在大應(yīng)變區(qū)域萌生裂紋，致使在裝配使用過程中發(fā)生斷裂；經(jīng)鍍鋅處理的高強(qiáng)度鋼制環(huán)箍/卡箍，在鍍鋅后若沒有及時(shí)除氫或除氫不凈，將導(dǎo)致氫脆斷裂；使用過程中，在拉伸應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。

常用結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和彈簧鋼三類鋼材制作環(huán)箍/卡箍，而在反復(fù)使用或可靠性要求更高的場合，常采用工具鋼和彈簧鋼[6-7]。51CrV4彈簧鋼具有良好的力學(xué)性能和工藝性能，淬透性較高。釩的加入可細(xì)化鋼的晶粒，降低過熱敏感性，提高鋼的強(qiáng)度和韌性，具有高的疲勞強(qiáng)度和屈服比。

某公司生產(chǎn)的51CrV4彈簧環(huán)箍廣泛應(yīng)用于上海大眾、奇瑞、一汽大眾、長安鈴木、長城汽車等的多種車型上，主要用于汽車輸油管、消聲器氣流通道管的連接。該型環(huán)箍在使用過程中發(fā)生了斷裂現(xiàn)象，為探究環(huán)箍斷裂失效的根本原因，文中對該型環(huán)箍的失效件進(jìn)行了失效分析[8]。

1 試驗(yàn)方法

環(huán)箍材質(zhì)為51CrV4，其制造工藝為：落料—成型—下貝氏體鹽浴等溫淬火—清洗—檢驗(yàn)—清理噴砂—表面達(dá)克羅處理（即片狀鋅基鉻鹽涂層）—檢驗(yàn)—包裝。技術(shù)要求：51CrV4硬度為（510～570）HV30。

利用ICP分析儀對環(huán)箍進(jìn)行化學(xué)成分分析，采用WDW-5型拉伸試驗(yàn)機(jī)按照GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗(yàn)方法》[9]進(jìn)行力學(xué)性能測試，采用Quanta200環(huán)境掃描電鏡對斷口進(jìn)行形貌掃描分析，采用Observer.A1m型倒置式金相顯微鏡進(jìn)行金相組織分析。

2 試驗(yàn)結(jié)果

2.1 宏觀分析

取一件失效環(huán)箍進(jìn)行分析，宏觀形貌如圖1 所示。在使用過程中，A—D四個位置發(fā)生斷裂，斷裂位置附近無塑性變形，斷口銹蝕嚴(yán)重，在斷口附近的棱邊處有銹斑。

2.2 化學(xué)成分分析

對環(huán)箍取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見表1。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該環(huán)箍化學(xué)成分符合51CrV4標(biāo)準(zhǔn)成分要求。

表1 51CrV4彈簧鋼環(huán)箍化學(xué)成分 %

2.3 力學(xué)性能分析

根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗(yàn)第1部分：試驗(yàn)方法》[10]，對樣品進(jìn)行硬度檢測，檢測結(jié)果見表2。樣品平均維氏硬度值為529（HV30），可見斷裂環(huán)箍滿足51CrV4技術(shù)要求。

表2 斷裂環(huán)箍的硬度

2.4 金相組織分析

從斷口和表面特征可以看出，A—D四個斷口屬于同一類型，任意選擇一個斷口切樣進(jìn)行分析。制樣時(shí)內(nèi)圓弧面為磨拋面，觀察兩側(cè)面形態(tài)及金相組織。

1）根據(jù)GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》[11]對樣品進(jìn)行非金屬夾雜物評定，非金屬夾雜物級別符合GB/T 1222—2007中非金屬夾雜物的規(guī)范要求，非金屬夾雜物評級金相照片如圖2所示，評定結(jié)果見表3。

表3 非金屬夾雜物評級結(jié)果

2）由圖3可見，側(cè)面有樹枝狀微裂紋，裂紋內(nèi)填充滿黑色腐蝕產(chǎn)物，裂紋兩側(cè)無非金屬夾雜和脫碳現(xiàn)象。

3）根據(jù)GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》[12]評定樣品的金相組織，樣品表層和芯部金相組織均為：下貝氏體+彌散分布的細(xì)小碳化物，屬51CrV4彈簧鋼環(huán)箍正常組織，如圖3c，d所示。

綜上所述，源區(qū)附近沒有非金屬夾雜、脫碳等缺陷，金相組織滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，但有明顯的裂紋，裂紋內(nèi)填充滿黑色腐蝕產(chǎn)物。

2.5 斷口分析

將A—D四個斷口切割、清洗后置于掃描電鏡下進(jìn)行斷口形貌觀察，結(jié)果如下所述。

1）A斷口裂紋起始于內(nèi)圓弧邊緣的棱邊處，呈放射狀擴(kuò)展，裂紋源處被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，看不到斷口的真實(shí)形貌，如圖4a，b所示。芯部斷口為韌窩和解理的混合斷裂，如圖4c所示。圓弧內(nèi)表層最后斷裂區(qū)為撕裂細(xì)小韌窩，如圖4d所示。

2）B斷口裂紋起始位置特征與A斷口基本一致，如圖5a，b所示；裂紋源附近芯部斷口為冰糖狀沿晶脆性斷口，如圖5c所示；圓弧外表層最后斷裂區(qū)為撕裂細(xì)小韌窩，如圖5d所示。

3）C，D斷口特征與B斷口基本一致，如圖6和圖7所示。

4）A斷口裂紋源附近表面有大量的腐蝕產(chǎn)物，且有平行于斷面的橫向微裂紋，如圖8a所示；B斷口附近有大量堆積的腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物有橫向微裂紋，如圖8b所示；C，D斷口附近也有腐蝕產(chǎn)物，涂層有脫落現(xiàn)象，如圖8c，d所示。

2.6 能譜分析

對四個樣品斷口棱邊表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析，以確定環(huán)箍斷裂的原因。能譜結(jié)果顯示，腐蝕產(chǎn)物中所含元素主要為O，Si，F(xiàn)e，Zn和S，其元素質(zhì)量百分比見表3—表6。樣品棱邊表面腐蝕產(chǎn)物中均存在大量S元素，S元素為活性元素，其對材料有較強(qiáng)的腐蝕作用。由于環(huán)箍長時(shí)間處于拉應(yīng)力狀態(tài)，在一定的腐蝕介質(zhì)環(huán)境下，容易發(fā)生應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象。

表3 A斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析 %

表4 B斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析 %

表5 C斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析 %

表6 D斷口腐蝕產(chǎn)物能譜分析 %

3 分析與討論

故障環(huán)箍位于汽車輸油管連接處，在長期的使用過程中，由于密封及塑料導(dǎo)管的老化等原因，導(dǎo)致油氣逸出。汽油的主要成分為H2S、硫醇、硫醚、苯硫酚和噻吩及其衍生物，致使環(huán)箍處于高含硫環(huán)境中，因此腐蝕介質(zhì)來源于其使用環(huán)境。

通過對斷裂51CrV4彈簧鋼環(huán)箍在化學(xué)成分、力學(xué)性能、斷口、金相及能譜幾個方面的分析可知，環(huán)箍的斷裂類型為應(yīng)力腐蝕斷裂，其承受的應(yīng)力主要來自于環(huán)箍自身的箍緊力。同時(shí)，使用環(huán)境中含有H2S等腐蝕性強(qiáng)的硫化物，S元素為活性元素，對材料有較強(qiáng)的腐蝕作用，腐蝕產(chǎn)物中含有較高含量的硫，表明環(huán)境中的硫加速了環(huán)箍的腐蝕。斷口及表面存在腐蝕現(xiàn)象，裂紋源處斷口被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，裂紋源存在早期腐蝕裂紋，斷口沿早期腐蝕裂紋起裂。A斷口芯部為解理和韌窩的混合斷裂，B，C，D斷口裂紋源附近芯部為冰糖狀沿晶脆性斷裂，裂紋呈樹枝狀，內(nèi)填充滿腐蝕產(chǎn)物，兩側(cè)無非金屬夾雜物和脫碳，為典型的應(yīng)力腐蝕裂紋。

3.1 力學(xué)因素的影響

金屬材料在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的共同作用下，會促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂裂紋的產(chǎn)生和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致材料發(fā)生應(yīng)力腐蝕斷裂失效[13]。造成應(yīng)力腐蝕破壞的是靜應(yīng)力，遠(yuǎn)低于材料的屈服強(qiáng)度，而且一般是拉伸應(yīng)力。拉應(yīng)力來源主要包括：材料加工、裝配等過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力；使用環(huán)境中外加載荷造成的應(yīng)力；非金屬夾雜物、裂紋源中腐蝕產(chǎn)物等造成的應(yīng)力。據(jù)相關(guān)研究表明，應(yīng)力比、應(yīng)力加載頻率、應(yīng)力加載方向等均對應(yīng)力腐蝕開裂裂紋的萌生和擴(kuò)展有很大影響。低應(yīng)力比可促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開裂裂紋的萌生。對于相同的應(yīng)力幅值和最大應(yīng)力，載荷作用周次相同時(shí)，低頻率有利于應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生；載荷作用時(shí)間相同時(shí)，高頻率有利于裂紋的萌生。垂直于拉-拉應(yīng)力方向的外加橫向載荷促進(jìn)了裂紋的萌生和早期擴(kuò)展。同時(shí)，應(yīng)力的波動也是造成應(yīng)力腐蝕開裂的重要影響因素[14-16]。

導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕開裂存在一個應(yīng)力臨界值，稱為應(yīng)力腐蝕開裂門檻值，用1SCC或臨界應(yīng)力th表示。一般認(rèn)為當(dāng)拉伸應(yīng)力低于1SCC或th時(shí)，不再會發(fā)生斷裂破壞。

3.2 硫元素的影響

硫元素作為有害元素，其來源既包含金屬材料中的硫，也包含環(huán)境介質(zhì)中的硫或硫化物。金屬材料中的硫元素可以在冶煉過程中通過優(yōu)化冶煉工藝得以控制，但使用環(huán)境介質(zhì)中的硫或硫化物的影響僅能通過合理選材和改進(jìn)防護(hù)工藝得以減輕。一方面，金屬材料中硫元素與腐蝕介質(zhì)中的水分和氧反應(yīng)生成連多硫酸或亞硫酸，加速周圍金屬材料的腐蝕，隨著腐蝕產(chǎn)物的堆積，應(yīng)力增大，加速應(yīng)力腐蝕裂紋的擴(kuò)展。另一方面，環(huán)境中硫或硫化物的電離，使腐蝕介質(zhì)呈酸性，加速鋼的電化學(xué)腐蝕進(jìn)程。同時(shí)，腐蝕介質(zhì)中的[H]向鋼內(nèi)部擴(kuò)散，導(dǎo)致鋼氫脆和氫損傷的產(chǎn)生。在外加拉應(yīng)力、殘余應(yīng)力等的協(xié)同作用下，加快了應(yīng)力腐蝕裂紋的萌生、擴(kuò)展，最終導(dǎo)致金屬材料斷裂失效[17]。

4 結(jié)論

51CrV4彈簧鋼環(huán)箍的斷裂性質(zhì)為應(yīng)力腐蝕斷裂，在自身箍緊力的作用下，致使微裂紋形成。同時(shí)，在使用環(huán)境中腐蝕介質(zhì)的的作用下，優(yōu)先在裂紋源處發(fā)生腐蝕。最終，在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的協(xié)同作用下，微裂紋不斷擴(kuò)展，導(dǎo)致應(yīng)力腐蝕斷裂。因此，鑒于51CrV4彈簧鋼環(huán)箍的使用環(huán)境無法改變，為減少環(huán)箍的斷裂失效問題，提出相關(guān)建議如下。

1）根據(jù)環(huán)箍產(chǎn)品的實(shí)際使用環(huán)境，合理選擇環(huán)箍的材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)工藝，降低應(yīng)力水平和環(huán)境嚴(yán)苛度，從而提高環(huán)箍的耐應(yīng)力腐蝕性能。

2）在保證環(huán)箍使用要求的箍緊力的前提下，盡量不要將卡箍擰得太緊，以減小卡箍的箍緊力。

3）制定相關(guān)企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，提高制造水平和裝配質(zhì)量等，降低材料殘余應(yīng)力和裝配應(yīng)力，并盡量避免材料加工時(shí)產(chǎn)生微裂紋。

通過相關(guān)企標(biāo)的制定，采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和防護(hù)工藝之后，應(yīng)力腐蝕斷裂發(fā)生概率大大減小，問題得到了有效解決。

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Fracture Failure of 51CrV4 Ring Band

ZHANG Kai, WANG Chang-peng, SHE Zu-xin, WEN Bang-wei, TAN Yong

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

To investigate the fracture reasons of 51CrV4 ring band.The fracture modes and the failure reasons of 51CrV4 ring band were analyzed by means of chemical composition analysis, mechanical performance analysis, SEM analysis, microstructure and energy dispersive spectrum analysis.In the tension stress state for a long time, the initiation cracks were formed at inner surface edge of the 51CrV4 ring band. At the same time, under the synergy of corrosive medium and stress, the corrosion process was accelerated by S, corrosion product was accumulated, and the expansion of corrosion microcracks was accelerated, the SCC failure was caused finally.The occurrence probability of SCC cracking could be greatly reduced by selecting material reasonably, improving the process design and protection technology, controlling raw material composition and reducing stress level and environmental severity.

51CrV4; ring band; fracture; SCC

TJ04

A

1672-9242(2018)03-0086-06

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.018

2017-10-05；

2017-11-23

張凱（1990—），男，四川樂山人，碩士，主要研究方向?yàn)楦g與防護(hù)。

王長朋（1985—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)椴牧鲜c分析。