彈性圓柱銷開裂失效分析

(中國空空導(dǎo)彈研究院， 洛陽 471000)

65Mn彈簧鋼強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向小、切削加工性好且價(jià)格低廉，常用來加工成各種小規(guī)格彈性件[1]。65Mn彈簧鋼耐蝕性差，常在其加工成的零件表面進(jìn)行電鍍鎘處理，然而在電鍍、酸洗及放氫型腐蝕環(huán)境中均會產(chǎn)生氫，使電鍍鎘技術(shù)存在氫脆的隱患[2-3]。氫脆往往導(dǎo)致材料延遲性的脆性破壞，不易被發(fā)現(xiàn)，且一般為批次性問題，危害較大，在生產(chǎn)和使用過程中需引起足夠重視。

某設(shè)備在維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的65Mn彈簧鋼彈性圓柱銷開裂失效，該彈性圓柱銷的工藝流程為:落料→成型→熱處理→探傷→表面電鍍鎘→檢驗(yàn)。筆者對失效的彈性圓柱銷進(jìn)行了相關(guān)檢驗(yàn)和分析，找出了失效圓柱銷的開裂原因，并提出了相應(yīng)的解決措施。

1 理化檢驗(yàn)

1.1 宏觀觀察

通過體視顯微鏡對失效圓柱銷進(jìn)行觀察，如圖1所示。可見失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對面，沿彈性圓柱銷軸向分布，裂紋呈連續(xù)而曲折的鋸齒狀，未見分叉。圖1中上、下兩件為未開裂的彈性圓柱銷。

圖1 失效圓柱銷宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure cylindrical pin

1.2 化學(xué)成分分析

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。結(jié)果表明失效圓柱銷的化學(xué)成分符合GB/T 3279-2009《彈簧鋼熱軋鋼板》對65Mn彈簧鋼的成分要求。

表1 失效圓柱銷的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 Chemical compositions of the failure cylindrical pin (mass fraction) %

1.3 硬度測試

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行顯微維氏硬度測試，測得硬度為523 HV0.5，工藝要求為420～560 HV0.5，可見失效圓柱銷的硬度滿足工藝要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖2所示，可見其顯微組織主要為回火馬氏體，未見條帶狀組織和脫碳現(xiàn)象。

圖2 失效圓柱銷在低倍和高倍下的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the failure cylindrical pin at a) low and b) high magnificaiton

1.5 斷口分析

失效圓柱銷的外表面已裂開，內(nèi)表面尚有連接，將內(nèi)表面連接處人為打開，通過FEI Quanta 650型掃描電鏡(SEM)對斷口進(jìn)行觀察。斷口SEM形貌如圖3所示，可見裂紋起源于彈性圓柱銷外側(cè)亞表面，向內(nèi)擴(kuò)展。擴(kuò)展區(qū)占整個斷口的絕大部分，呈現(xiàn)沿晶的脆性斷裂形貌，內(nèi)表面連接區(qū)域占整個斷口的比例很小，為人為撕裂的斷口。整個斷口表面未見明顯的塑性變形，未見明顯的冶金缺陷。

將裂紋源區(qū)進(jìn)一步放大觀察，如圖4所示,可見裂紋源區(qū)斷面干凈，未見腐蝕產(chǎn)物。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌如圖5所示，可見斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)呈沿晶分離狀，晶粒輪廓鮮明，晶面上可觀察到變形線，為典型的氫脆微觀斷口。最后人為打開斷口，如圖6所示,可觀察到細(xì)小的韌窩和斷裂的鍍鎘層。

圖3 斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

圖4 裂紋源區(qū)SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack growth area

圖6 人為打開斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the artificial open fracture

1.6 氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定

通過ONH2000型氧氮?dú)錃怏w分析儀對3件失效圓柱銷進(jìn)行氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定，氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.000 41%,0.000 55%,0.000 86%。

2 分析與討論

失效圓柱銷的化學(xué)成分滿足GB/T 3279-2009要求，斷面未見明顯的塑性變形及冶金缺陷，初步排除過載斷裂和原材料缺陷產(chǎn)生裂紋的可能。失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對面，沿彈性圓柱銷軸向分布。有文獻(xiàn)指出，帶狀組織對彈性圓柱銷的性能影響很大，主要表現(xiàn)為各向異性，造成彈性圓柱銷徑向開裂[4]。但失效圓柱銷顯微組織為回火馬氏體，未見帶狀組織，可排除帶狀組織造成彈性圓柱銷開裂的可能。失效圓柱銷的顯微組織未見脫碳，排除脫碳導(dǎo)致圓柱銷強(qiáng)度不足而開裂的可能。

失效圓柱銷裂紋呈連續(xù)而曲折的鋸齒狀，未見分叉，這是氫脆裂紋的典型形貌。裂紋起源于圓柱銷外側(cè)亞表面，整個斷面干凈，未見腐蝕產(chǎn)物。裂紋擴(kuò)展區(qū)占整個斷口的絕大部分，微觀斷口呈冰糖狀沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，晶面上可觀察到變形線，為典型的氫脆斷口微觀形貌。

氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)失效圓柱銷含有0.000 41%～0.000 86%的氫。一般鋼中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.000 5%～0.001%時就會產(chǎn)生氫致裂紋[5]，但有文獻(xiàn)表明，氫脆敏感性隨鋼鐵材料強(qiáng)度的提高而急劇增加[6]。特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過1 000 MPa后即使在氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況下材料也可能發(fā)生氫脆斷裂。而失效圓柱銷的顯微維氏硬度換算成抗拉強(qiáng)度后達(dá)到1 749～1 781 MPa，對于如此高強(qiáng)度的鋼而言，即使是0.000 41%的氫也完全可以造成氫脆開裂。結(jié)合裂紋宏觀形貌、斷口微觀形貌、硬度、金相及氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)判斷失效圓柱銷發(fā)生了氫脆開裂。

發(fā)生氫脆通常需要兩個必要條件，一是必須有氫的發(fā)生源，二是對象金屬需對氫敏感[7-8]。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因該批彈性圓柱銷出廠檢驗(yàn)時硬度偏低，故生產(chǎn)廠家對該批圓柱銷增加了一次熱處理。熱處理前需先用稀鹽酸退掉圓柱銷表面發(fā)藍(lán)層，然后退火→淬火→回火。熱處理前退鍍后廠家沒有增加相應(yīng)的除氫工序，未及時除氫，導(dǎo)致氫滲入圓柱銷，這便是氫的來源。失效圓柱銷的材料為65 Mn彈簧鋼，該材料的強(qiáng)度很高，為氫脆敏感材料。本次失效滿足氫脆發(fā)生的兩個必要條件，在裝配拉應(yīng)力的作用下該圓柱銷產(chǎn)生了徑向氫脆開裂。

3 結(jié)論及建議

失效圓柱銷在退鍍工序后沒有進(jìn)行相應(yīng)的除氫工序，氫滲入了圓柱銷內(nèi)部，導(dǎo)致該彈性圓柱銷發(fā)生氫脆失效。

建議后續(xù)生產(chǎn)中，在退鍍及其他產(chǎn)生析氫反應(yīng)的工序后增加除氫工序，以及時除去材料中的氫，避免氫脆的產(chǎn)生。