某型發(fā)動機燃燒室磁粉探傷異常磁痕分析*

劉天昳，李鵬輝，王 倩

(1 河北科技大學材料學院， 石家莊 050018； 2 北方工程設(shè)計研究院有限公司， 石家莊 050011；3 國營197廠， 石家莊 052165)

0 引言

某型發(fā)動機燃燒室設(shè)計采用某熱軋無縫鋼管。試制過程中，該燃燒室在磁粉探傷時發(fā)現(xiàn)，其內(nèi)外壁出現(xiàn)數(shù)量較多的異常磁痕。如圖1(a)所示，磁痕沿管壁軸向分布，形態(tài)狀似金屬流線，磁痕較粗且呈斷續(xù)的直線狀，中間粗兩頭尖細，長短不等，有分叉，探傷時可重復出現(xiàn)，少數(shù)呈亮帶狀，手摸磁痕處有微凸感；后對未經(jīng)熱處理的原材料進行磁粉探傷檢測，發(fā)現(xiàn)原材料中也存在磁痕，如圖1(b)所示，其形態(tài)和熱處理后的探傷狀態(tài)基本一致。文中針對該零件原材料熱處理前后磁粉探傷發(fā)現(xiàn)的磁痕異常問題，分析討論缺陷異常情況，產(chǎn)生的原因及對力學性能的影響。

圖1 鋼管磁粉探傷照片

1 理化檢驗

1.1 化學成分檢驗

取樣對發(fā)動機燃燒室材料進行化學成分檢測，如表1所示，所測的化學成分都在合格范圍內(nèi)。

1.2 掃描電鏡檢驗

在鋼管磁痕區(qū)域取樣，拋光后于未腐蝕狀態(tài)下在掃描電鏡下觀察。如圖2所示，可以看出，材料呈連續(xù)狀態(tài)，磁痕區(qū)域和基體正常區(qū)域無任何區(qū)別，說明磁痕不是非金屬夾雜物。

表1 鋼管化學成分 %

圖2 鋼管磁痕位置SEM照片

1.3 金相檢驗

1.3.1 原材料金相檢驗

對其原材料試樣進行酸蝕及金相檢驗，磁痕在宏觀狀態(tài)下肉眼可見，如圖3(a)所示，其被酸蝕成溝狀，斷續(xù)且有分叉，用手觸摸有凸起感；取樣進行金相觀察，可以很清楚地觀察到磁痕邊緣腐蝕呈溝狀，中間部位凸起且呈白亮色，如圖3(b)所示。原材料的基體金相組織為網(wǎng)狀鐵素體+珠光體，組織粗大，白亮色的異常區(qū)域的金相組織為馬氏體+殘余奧氏體，如圖3(c)所示，灰色的馬氏體位向清晰可見，馬氏體間有間斷的條塊狀的殘余奧氏體存在，組織較為細小，如圖3(d)所示。

圖3 原材料酸蝕、金相檢驗圖片

1.3.2 熱處理后金相檢驗

分別對熱處理后的發(fā)動機燃燒室的基體正常區(qū)域和磁痕區(qū)域取樣進行金相觀察。正常區(qū)域如圖4(a)、圖4(b)所示，可以看出，該鋼管基體正常區(qū)域的組織為回火索氏體組織，基本上還保持著馬氏體位向，屬于正常調(diào)質(zhì)狀態(tài)。圖4(c)、圖4(d)所示的是基體磁痕區(qū)域(白亮帶)的金相組織，從照片上可清晰地觀察到金相組織為回火馬氏體+殘余奧氏體組織，殘余奧氏體斷續(xù)地在回火馬氏體條間分布。

圖4 金相組織

1.4 微區(qū)成分分析

1.4.1 原材料微區(qū)成分分析

如圖5所示，對其原材料的磁痕處和基體正常區(qū)域進行波譜分析。檢測結(jié)果如表2所示，鋼管磁痕區(qū)的主要合金元素Cr、Mn、Si 的含量明顯高于基體正常部分的含量，磁痕處的合金元素含量明顯高于基體正常區(qū)域。

圖5 原材料磁痕區(qū)域波譜分析位置

表2 原材料磁痕區(qū)域波譜分析結(jié)果 %

1.4.2 熱處理后微區(qū)成分分析

分別對熱處理后的發(fā)動機燃燒室基體材料正常區(qū)域和磁痕處進行半定量能譜分析，如圖6、圖7所示，磁痕區(qū)域的合金元素Cr、Mn、Si含量較正常區(qū)域的合金元素高出不少，可以看出磁痕區(qū)域存在合金元素微區(qū)偏析的問題。

圖6 基體正常區(qū)域能譜分析

圖7 基體異常區(qū)域能譜分析

1.5 顯微硬度分析

分別對發(fā)動機燃燒室原材料和熱處理后的基體正常區(qū)域和磁痕區(qū)域各取5個點測試顯微維氏硬度，結(jié)果如表3所示，可以看出磁痕區(qū)域的硬度明顯比基體正常區(qū)域的硬度高。

表3 顯微維氏硬度測試結(jié)果(HV0.2)

2 討論分析

磁粉探傷是利用磁粉聚集來顯示工件上的不連續(xù)性及缺陷，一般將材料的不連續(xù)性和缺陷分為3類，假磁痕、非相關(guān)性磁痕、相關(guān)性磁痕。假磁痕不是由磁力引起的，一般和工件表面狀態(tài)有關(guān)，如銹蝕、表面粗糙等；非相關(guān)性磁痕一般由于工件加工面變化突然、金屬流線、加工硬化、金相組織不一致等造成的；相關(guān)性磁痕是由材料缺陷引起的，如裂紋、白點、發(fā)紋、夾雜物、疏松等。

鋼制工程構(gòu)件的磁痕顯示主要有夾雜、裂紋及其它開口型缺陷、塑性變形和顯微成分偏析等4種類型[1]，因此，影響磁痕變化的因素有很多，如裂紋、夾雜物、應(yīng)力、晶粒大小、金相組織、合金成分等。

通過對發(fā)動機燃燒室材料熱處理前、后的磁痕區(qū)域進行理化檢驗可以看出，磁痕不是裂紋、夾雜等開口缺陷。而且，熱處理前后的材料有3個共同特征：第一，異常區(qū)域處均明顯存在合金元素偏析，主要元素Cr、Mn、Si的含量明顯高于基體其它位置；第二，異常區(qū)域處的顯微硬度均高于其基體組織；第三，材料的異常區(qū)域處的金相組織異于其基體組織(未經(jīng)熱處理的材料金相組織為馬氏體+塊狀或條狀殘余奧氏體組織，經(jīng)過調(diào)質(zhì)熱處理的材料異常區(qū)域處的金相組織為板條或針狀的回火馬氏體+塊狀或條狀殘余奧氏體，而未熱處理材料基體金相組織為珠光體+網(wǎng)狀鐵素體，調(diào)質(zhì)熱處理后的基體組織為回火索氏體組織)，均存在塊狀或條狀殘余奧氏體組織。

眾所周知，殘余奧氏體具有順磁性特征，當一定量的殘余奧氏體呈條狀斷續(xù)分布時，會引起磁力線的局部變化，在磁粉探傷時必然會引起磁痕異常，以斷續(xù)的線狀缺陷形式出現(xiàn)，當殘余奧氏體含量較多時，甚至不吸附磁粉，在磁粉探傷時以斷續(xù)的白亮條狀出現(xiàn)；另外，材料異常區(qū)域處組織異于其基體金相組織，硬度較高，造成殘余組織應(yīng)力也較高，其矯頑力亦會比基體處的矯頑力大，也會加大磁痕的異常[2]。因此，可以判斷得出，發(fā)動機燃燒室在磁粉探傷過程中存在的磁痕異常問題，應(yīng)該主要是由于殘余奧氏體的存在和殘余應(yīng)力較高造成的。

磁痕異常問題應(yīng)該與合金元素偏析有關(guān)。未經(jīng)熱處理的原材料由于其中Cr、Mn、Si元素存在明顯偏析，很大程度上提高了此區(qū)域處的奧氏體化學穩(wěn)定性，增大了馬氏體相變的切變阻力，加之鉻、錳合金元素偏聚，降低了異常區(qū)域的Ms點，提高了異常區(qū)域的淬透性，在軋制冷卻時出現(xiàn)馬氏體組織和條塊狀的奧氏體組織，導致了原材料中異常區(qū)域的組織異常、殘余應(yīng)力較高和殘余奧氏體含量較多[3]。

熱處理后,材料磁痕異常區(qū)域依舊存在，究其原因：第一，材料的熱處理溫度較低，保溫時間較短，其不足以均勻化偏析處的合金元素；第二，偏析處的合金元素明顯高于基體其它部位，致使此處材料的Ms點較低，加之合金元素降低奧氏體向其它組織轉(zhuǎn)變的驅(qū)動能，穩(wěn)定奧氏體，因此導致材料的成分偏析區(qū)域在淬火時奧氏體很穩(wěn)定，淬火后殘余奧氏體含量很高，隨后在470 ℃下回火，此溫度正處于材料的貝氏體和珠光體轉(zhuǎn)變的中間區(qū)域，殘余奧氏體的熱穩(wěn)定性隨回火溫度提高呈現(xiàn)馬鞍形的變化規(guī)律，在此區(qū)域加熱，殘余奧氏體穩(wěn)定性會提高，隨后的水冷，殘余奧氏體發(fā)生反穩(wěn)定化現(xiàn)象[4]，一部分轉(zhuǎn)變成馬氏體組織，剩余部分的殘余奧氏體由于機械穩(wěn)定化(馬氏體轉(zhuǎn)變膨脹)和化學穩(wěn)定化(Cr、Mn、Si元素偏析)的原因會保留下來[5]。

綜合以上分析，可以判定，由于發(fā)動機燃燒室材料中合金元素偏析導致組織異常，殘余應(yīng)力較高，從而引起材料矯頑力不同，影響磁粉探傷時的磁痕顯示。

3 水壓試驗

為了檢驗發(fā)動機燃燒室出現(xiàn)的磁痕對零件的環(huán)向應(yīng)力的力學性能的影響，對所有出現(xiàn)磁粉探傷問題的鋼管進行了水壓試驗。如圖8所示，將零件固定在特制密封法蘭上，然后根據(jù)零件的實際使用條件下所承受的內(nèi)壓，乘以一定的安全系數(shù)，充入自來水達到預(yù)定的壓力，持續(xù)一定的時間，觀察零件的狀況。

圖8 水壓試驗

在水壓試驗中，鋼管壁在任一點將產(chǎn)生3個主應(yīng)力：縱向應(yīng)力、環(huán)向應(yīng)力、徑向應(yīng)力。如圖9所示，從3個主應(yīng)力在管壁內(nèi)的分布，可知最大和最小應(yīng)力一般出現(xiàn)在管子的內(nèi)表面和外表面，一般情況下，當外徑和內(nèi)徑之比小于1.2時，稱圓管為薄壁管，對于薄壁管道，可忽略徑向應(yīng)力，σt為環(huán)向應(yīng)力，σm縱向應(yīng)力。

圖9 鋼管受力狀態(tài)

縱向應(yīng)力和環(huán)向應(yīng)力可用式(1)、式(2)表示：

(1)

(2)

式中：p為管道水壓，MPa；D1為管道內(nèi)徑，mm；D2為管道外徑，mm；ξ為管壁厚，mm。

由式(1)、式(2)可知，薄壁管道承受內(nèi)壓作用時，環(huán)向應(yīng)力等于縱向應(yīng)力的兩倍，因此，當管道在內(nèi)壓作用下爆裂時，其裂口方向總是縱向的，不大可能產(chǎn)生環(huán)向裂口。而磁痕是沿管壁軸向呈10°～20°前進，因此磁痕主要對鋼管的環(huán)向應(yīng)力(切向應(yīng)力)有影響。

經(jīng)過對所有在磁粉探傷中出現(xiàn)磁痕的鋼管做水壓試驗，均未發(fā)現(xiàn)異常情況，這說明發(fā)動機燃燒室磁粉探傷所出現(xiàn)的磁痕對產(chǎn)品的力學性能無影響。

4 結(jié)論

1)發(fā)動機燃燒室磁粉探傷的磁痕不是裂紋、夾雜等缺陷，應(yīng)屬于非相關(guān)性磁痕；

2)由于Cr、Si、Mn合金元素存在斷續(xù)的帶狀偏析，在熱處理后帶狀偏析的金相組織中存在數(shù)量較多的殘余奧氏體和殘余應(yīng)力，影響磁粉的分布，從而出現(xiàn)磁痕；

3)此類磁痕對發(fā)動機燃燒室的力學性能無影響。