1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼螺栓脆性斷裂故障失效分析

李亞非，劉鳳坤，龍開琳，高 軍

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，湖南 張家界 427000；2.貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，3.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機(jī)設(shè)計研究所，貴陽 550081）

0 引言

1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼是仿制型低鉻不銹鋼，具有高的強度與韌性、良好的加工工藝性能與耐溫性能，以及低于550℃的較好的耐腐蝕性。由于綜合性能優(yōu)良，因而研發(fā)至今在飛機(jī)、發(fā)動機(jī)、燃?xì)廨啓C(jī)等諸多領(lǐng)域得到廣泛運用。早期型號航空發(fā)動機(jī)的壓氣機(jī)段（冷端）大量零件，含盤、壓氣機(jī)葉片等關(guān)鍵零件均選用該不銹鋼制造，現(xiàn)代先進(jìn)燃?xì)鉁u輪發(fā)動機(jī)仍然采用該不銹鋼作為螺栓、螺釘?shù)瘸辛褂谩ｋm然中國航空發(fā)動機(jī)制造行業(yè)內(nèi)的1Cr11Ni 2W2MoV不銹鋼的應(yīng)用時間較長，但該材料零件失效故障仍然時有發(fā)生。其中，高溫回火脆性（第2類回火脆性）導(dǎo)致的零件失效占有很高比重。

近年，國內(nèi)外專家學(xué)者針對馬氏體不銹鋼第2類回火脆性的形成原因與預(yù)防措施開展了大量研究工作，Ma等、黃春峰等認(rèn)為第2類回火脆性存在的前提是存在As、Bi等雜質(zhì)元素，上述雜質(zhì)元素只有在晶界富集時，才會造成塑性損失。換言之，提高冶煉水平可有效避免第2類脆性的發(fā)生。另外，陳宗霖等、鐘培道等認(rèn)為只要避開回火脆性溫度區(qū)間（590～660℃），并且快速通過該區(qū)間即可避免脆性，無需考慮冶煉水平。航空材料手冊與工藝標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定其第2類回火脆性溫度區(qū)間為620～660℃，這與中國《航空制造工程手冊》和《航空材料手冊》中的給定范圍存在較大區(qū)別，猜測可能是由于各國對不銹鋼中各合金元素控制水平不同有關(guān)。綜合來看，1Cr11Ni2W2MoV等馬氏體不銹鋼回火脆性與鋼的冶煉方式、化學(xué)成分（尤其是S、P元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)）、回火溫度、冷卻方式等多種因素有關(guān)。

本文綜合考慮原材料化學(xué)成分、零件熱處理工藝參數(shù)，結(jié)合故障件斷口形貌，提出1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼零件在熱處理過程中與第2類回火脆性相關(guān)的的影響因素，并采用熱處理工藝試驗進(jìn)行驗證。

1 故障件組織檢查

1.1 斷口低倍檢查

某型航空發(fā)動機(jī)在整機(jī)裝配過程中發(fā)生MR6螺栓斷裂故障。經(jīng)檢測，故障螺栓的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求，螺栓與標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分對照結(jié)果見表1。

表1 螺栓與標(biāo)準(zhǔn)化學(xué)成分對照結(jié)果 wt%

故障螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示。從圖中可見，整個斷面較為平齊，局部存在反光小刻面。在斷口邊緣可見大量的放射棱線，匯聚于斷口中心。在體視顯微鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，斷面上分布較多的反光小平面，局部位置存在顆粒狀。整體斷面呈明顯的一次性大應(yīng)力條件下的脆性斷口特征。

圖1 故障螺栓斷口宏觀形貌

螺栓裝配時承受預(yù)緊拉應(yīng)力，在工作過程中承受剪切應(yīng)力與振動應(yīng)力。兼顧考慮強度與韌性，選用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼（設(shè)計要求硬度HRC=25～35）。該不銹鋼螺栓的正常斷口組織應(yīng)為大面積的纖維狀斷面+少量放射棱線，雖然不乏由于韌性不足而發(fā)生零件斷裂故障，但是如此的脆斷斷口仍屬于反常現(xiàn)象。

1.2 斷口顯微檢查

對于1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼而言，材質(zhì)因素、熱處理過程、加載因素均可能造成宏觀斷口呈現(xiàn)脆性。為排查故障原因，對斷口進(jìn)行顯微組織檢查。螺栓斷口掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）形貌如圖2所示。

圖2 螺栓斷口低倍（＜200倍）SEM形貌

從圖中可見，螺栓斷裂的起始位置位于零件表面右上方，呈周向起裂。斷口起源區(qū)域所占總面積的比例很小。裂紋通過放射棱線從源區(qū)擴(kuò)展穿過螺栓右方大部分區(qū)域而進(jìn)入瞬斷區(qū)。瞬斷區(qū)所占面積比例與擴(kuò)展區(qū)域的相當(dāng)。螺栓左方邊緣為剪切唇。整個斷口呈扭轉(zhuǎn)斷裂脆性斷口特征。

分別對螺栓斷口的源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)進(jìn)行50倍和500倍的顯微檢查，SEM形貌如圖3所示。從斷裂源區(qū)的50倍SEM形貌來看，其塑性變形痕跡的撕裂棱特征明顯，在局部區(qū)域可見解理斷裂的河流花樣，整個區(qū)域分布拉拔形成“淺坑”。另外，隱約可見疑似結(jié)晶狀形貌。整個區(qū)域符合典型的準(zhǔn)解理形貌特征。對該區(qū)進(jìn)行能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）成分分析，發(fā)現(xiàn)Sb元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.01%、Sn元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%，存在有害元素富集的跡象。

圖3 螺栓斷口高倍（500倍）SEM形貌

擴(kuò)展區(qū)50倍SEM形貌主要呈現(xiàn)為結(jié)晶形貌和解理臺階，無明顯可見的塑性變形痕跡。瞬斷區(qū)可見結(jié)晶+韌窩形貌。

進(jìn)一步對源區(qū)、擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)進(jìn)行500倍SEM檢查發(fā)現(xiàn)，3個區(qū)域中均存在明顯的“冰糖”狀結(jié)晶斷口形貌。這是沿晶斷裂的顯著特征，根據(jù)失效分析的經(jīng)典理論，當(dāng)存在液態(tài)金屬致脆（如鎘脆）、應(yīng)力腐蝕疲勞、氫脆、回火脆性的情形時，方可出現(xiàn)沿晶斷裂特征。

對硬度HRC=25～35的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼螺栓而言，由于工作環(huán)境中無液態(tài)金屬與腐蝕介質(zhì)，而該鋼種對氫脆不敏感，因此初步判斷回火脆性的可能性最大。

2 故障原因分析

2.1 工藝文件檢查

對螺栓生產(chǎn)廠家的熱處理工藝規(guī)程與材料標(biāo)準(zhǔn)GJB 2294-1994《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》和熱處理執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)HB/Z 80-1997《航空用不銹鋼與耐熱鋼熱處理說明書》進(jìn)行對照，具體結(jié)果見表2。

表2 螺栓熱處理規(guī)程與標(biāo)準(zhǔn)參數(shù)對照結(jié)果

從表中可見，工藝規(guī)程規(guī)定的回火溫度640～660℃不符合材料標(biāo)準(zhǔn)與熱處理執(zhí)行標(biāo)準(zhǔn)的要求（實際執(zhí)行的回火溫度為640℃，冷卻方式為水冷）。根據(jù)文獻(xiàn)[2]可知，1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性處于630℃附近，一般而言應(yīng)避免在600～660℃回火。從以往的使用經(jīng)驗來看，在600～630℃回火均出現(xiàn)過沖擊韌性偏低，且均呈現(xiàn)不同比例的沿晶斷口的現(xiàn)象。可認(rèn)定640℃回火溫度處于材料的回火脆性區(qū)，在該溫度下回火導(dǎo)致零件脆性傾向較大，最終造成在裝配過程中零件脆斷。

2.2 工藝驗證試驗

承制工廠按照640℃水冷的回火方式進(jìn)行棒材入廠復(fù)驗，各項力學(xué)性能均合格。為正確評估該制度處理的產(chǎn)品的質(zhì)量水平，有必要進(jìn)行工藝驗證試驗。

熱處理驗證試驗方案及檢驗得到的拉伸、沖擊、硬度性能數(shù)據(jù)見表3。

表3 熱處理工藝試驗方案及結(jié)果

從表中可見：

（1）3種回火方式試樣的拉伸、硬度數(shù)值接近，均滿足標(biāo)準(zhǔn)要求；

（2）不同回火方式對沖擊數(shù)值以及沖擊斷口形貌影響較大，680℃回火試樣沖擊滿足標(biāo)準(zhǔn)（全韌性斷口），640℃空冷試樣沖擊未滿足標(biāo)準(zhǔn)（脆性斷口），640℃水冷介于二者之間。

工藝試驗沖擊試樣斷口SEM形貌如圖4所示。

圖4 工藝試驗沖擊試樣斷口SEM形貌

2.3 分析與討論

1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性一直是編制工藝規(guī)程時盡量避免的問題。但是，因?qū)υ摬牧闲阅芰私獠粔?，?dǎo)致回火脆性故障時有發(fā)生。工藝人員未嚴(yán)格依照標(biāo)準(zhǔn)編制工藝規(guī)程的原因大致為：（1）套用前蘇聯(lián)材料（牌號13Х11Н2Б2М）標(biāo)準(zhǔn)或工藝規(guī)程界的2～3個原子厚度的區(qū)域偏聚，從而導(dǎo)致晶界部位形成脆性相，最終形成回火脆性。對每種鋼鐵材料而言，其第2類回火脆性溫度區(qū)間不同，因此要求材料在回火過程中在該區(qū)間停留的時間應(yīng)盡量縮短。

雜質(zhì)元素是形成第2類回火脆性的“元兇”，因此，減小雜質(zhì)元素質(zhì)量分?jǐn)?shù)有利于避免脆性發(fā)生。真空電弧重熔相對于電渣重熔而言，Sn、Sb元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)更小，因此采用真空電弧重熔工藝冶煉的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼棒無第2類回火脆性現(xiàn)象。另外，Mo、W元素可抑制第2類回火脆性，因此對于冶煉過程、成分控制均有所差別的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼（前蘇聯(lián)、俄羅斯的該鋼材小規(guī)格棒材有雙真空冶煉工藝，中國尚無此工藝），不宜套用國外熱處理工藝。

通過工藝驗證試驗可知，在脆性溫度區(qū)間進(jìn)行回火并快速冷卻，在一定程度上可以緩解回火脆性，使得沖擊性能滿足標(biāo)準(zhǔn)；但是無法根除回火脆性，沖擊試樣斷口仍然為脆性斷口?？紤]到材料化學(xué)成分與熱處理工藝參數(shù)的波動性因素，編制熱處理工藝規(guī)程時應(yīng)避免該溫度區(qū)間。參數(shù)；（2）設(shè)計給定硬度范圍處于脆性區(qū)間；（3）基于經(jīng)驗認(rèn)為脆性區(qū)間回火后快冷可消除脆性。

從馬氏體不銹鋼第2類回火脆性的形成原因來看，由于Ni、Cr、Sb、Sn、P等元素在高溫下向靠近晶

3 結(jié)論

（1）在裝配過程中折斷的1Cr11Ni2W2MoV鋼制螺栓斷口形貌為撕裂棱線、準(zhǔn)解理+少量韌窩，斷面沿晶特征明顯，失效模式為一次性大應(yīng)力脆斷；

（2）造成螺栓脆斷的原因在于熱處理的回火過程，選用的640℃回火溫度處于1Cr11Ni2W2MoV鋼的第2類回火脆性區(qū)間；

（3）在脆性區(qū)回火后快速冷卻可緩解材料脆性傾向，但無法根除斷口的沿晶特征，且沖擊測試值偏低；

（4）1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性受制于材料的化學(xué)成分與冶煉方法，與熱處理回火過程密切相關(guān)。為避免此類現(xiàn)象，應(yīng)避免在600～660℃回火和長時停留。