燕 翔,萬里園,劉德林,姜 濤
(1.湖北三江航天紅陽機電有限公司,湖北孝感 432100;2.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心,北京 100095)
在航天、航空等領域,卡箍是一種常用的標準件,通常鉚接在各類艙體內(nèi)部,起到固定和捆扎艙內(nèi)電纜束的作用。航天行業(yè)標準規(guī)定:卡箍按材料不同可為鋁制、鋼制和高分子材料卡箍,在鋼制卡箍中,又可分為結構鋼、工具鋼和彈簧鋼3類卡箍,工具鋼、彈簧鋼卡箍因具有較高的彈性;因此,多用于反復使用或可靠性要求更高的場合??ü渴问蕉嘁詳嗔褳橹鳎鶕?jù)斷裂機制不同,通常有2種,一種是零件熱成形工藝控制不到位,在大應變區(qū)域萌生裂紋,致使在卡裝電纜的過程中發(fā)生斷裂,對于此種情況,卡裝電纜束或力學環(huán)境試驗時多可以察覺;而對于高強度鋼制卡箍,最終鍍鋅鈍化處理,鍍鋅如不能及時除氫或除氫不凈,極易發(fā)生氫脆,由于氫脆斷裂具有延遲的特點[1],因此難以察覺,故危害性更大,在工程應用中應引起足夠的重視。
中段艙體卡箍(簡稱中段卡箍)材料牌號為T8A,執(zhí)行技術條件為QJ 177.13A—1995,在捆扎電纜束約5.5 h后發(fā)生斷裂,尾段艙體卡箍(簡稱尾段卡箍)在卡入電纜束時發(fā)生斷裂,材料牌號為65Mn??ü抗ぷ髦兄饕惺軓潙Γ尚喂に嚵鞒虨?退火→鈑金熱成形→強化熱處理(保證硬度42~46 HRC)→鍍鋅鈍化。本研究對2種失效卡箍進行了外觀檢查、化學成分分析、金相組織檢查、硬度測定、斷口微觀觀察、H含量測試等,確定斷裂的原因和性質。
中段、尾段卡箍整體形貌分別如圖1、圖2,呈“Ω”形,中段卡箍斷裂處位于鉚接安裝孔平面的直角根部,尾段斷裂發(fā)生在圓弧段與平面交匯的圓角處,清除表面的隔熱涂料后,中段卡箍呈彩虹色,略帶軍綠色,尾段卡箍呈彩虹色[2]。將斷口放置在體視顯微鏡下觀察,中段卡箍斷面干凈、粗糙,可見大量呈亮灰色結晶狀特征,取向平行于板帶厚度平面,未見明顯的塑性變形痕跡,在斷口外側邊緣可見較薄的一層平坦帶,內(nèi)側邊緣粗糙,多呈鋸齒狀(圖3)。
圖1 中段卡箍整體形貌Fig.1 Appearance of middle clamp
圖2 尾段卡箍整體形貌Fig.2 Appearance of tail clamp
尾段卡箍斷面平坦,較粗糙,取向與圓弧段法平面大致成45°,暗灰色,在內(nèi)側邊緣可見明顯的塑性變形痕跡,大致中心局部區(qū)域有彩虹色覆蓋物,并由內(nèi)側邊緣向外側邊緣沿展,從覆蓋物顏色判斷,應為鍍鋅層(圖4)。
以上試驗可知,中段卡箍呈脆性斷裂特征,斷裂處存在明顯的應力集中,裂紋起源于外側向內(nèi)側擴展,光亮平坦帶為剪切唇區(qū)。尾段卡箍呈韌性斷裂特征,斷裂部位也存在明顯的應力集中,從斷面上的鍍覆層分析,存在一處原始裂紋,且裂紋由內(nèi)側向外側擴展,斷裂是原始裂紋擴展的結果。
圖3 中段卡箍斷裂部位及斷口形貌Fig.3 Micro appearance of fracture surface of middle clamp
圖4 尾段卡箍斷裂部位及斷口形貌Fig.4 Micro appearance of fracture surface of tail clamp
運用等離子光譜分析儀(ICP)對失效零件合金元素及雜質元素進行化學成分分析,分析結果如下表1。可見中段卡箍(A)和尾段卡箍(B)化學成分均符合標準要求,中段卡箍C含量接近標準規(guī)定的上限值[3]。
表1 卡箍化學成分分析結果(質量分數(shù) /%)Table 1 Results chemical composition analysis by ICP(mass fraction/%)
在失效零件上切取金相橫截面試樣,經(jīng)磨制、拋光后,再用4%(質量分數(shù))硝酸酒精溶液浸蝕,放置在金相顯微鏡下觀察,中段卡箍組織如圖5,尾段卡箍組織如圖6,組織均正常,呈回火馬氏體組織[4]。
圖5 中段卡箍顯微組織Fig.5 Microstructure of middle clamp
圖6 尾段卡箍顯微組織Fig.6 Microstructure of tail clamp
運用顯微維氏硬度計在金相試樣磨面上測定硬度,測定結果如表2。由表2可知,中段卡箍硬度達到標準規(guī)定上限值,而尾段卡箍硬度則偏標準規(guī)定的下限,中段卡箍具有較高的強度[5]。
表2 硬度測定結果Table 2 Hardness test results
失效斷口經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡下觀察。中段卡箍裂紋源區(qū)典型微觀形貌如圖7a,可見大量的沿晶區(qū),晶粒輪廓清晰,表面干凈,多呈冰糖狀,可見少量的二次裂紋特征,表層的鍍覆層清晰可見(圖7b)。擴展區(qū)沿晶特征逐漸減少,而韌窩特征逐漸增多,瞬斷區(qū)均為小尺寸韌窩,局部可見擦傷痕跡。
在失效零件上切取試樣,選用單向彎曲加載獲得人工斷口,在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)均呈韌窩斷裂特征(圖8)。
尾段卡箍斷口典型微觀形貌如圖9,呈韌窩特征,韌窩尺寸較大,局部亦可見明顯的擦傷痕跡。宏觀觀察到到覆蓋物微觀形貌如圖10,略呈泥紋花樣,經(jīng)EDS能譜分析,確定主要元素為Zn。
以上試驗可知,中段卡箍裂紋源區(qū)微觀下主要為沿晶斷裂特征,沿晶特征向心部逐漸減少,韌窩特征逐漸增多,韌窩尺寸較小,人工斷口未見沿晶特征,均為韌窩特征。尾段卡箍斷口微觀下均為韌窩斷裂特征,韌窩尺寸較大,EDS分析結果表明宏觀觀察到的覆蓋物為鍍鋅層。從斷裂微觀特征和韌窩尺寸來看,2種卡箍均為塑性斷裂特征,但尾段卡箍較中段卡箍塑性更好。
打磨去除中段卡箍表層的鍍鋅層,運用測氫儀測定H元素含量,測得含H量為6 kg/m3,結果表明含H量較高。
圖7 裂紋源區(qū)微觀沿晶斷裂特征Fig.7 The intergranular fracture characteristics of crack source region
圖8 人工斷口韌窩斷裂特征Fig.8 Microscopic dimples feature of the artificially opened zone
圖9 斷裂微觀特征Fig.9 Microscopic characteristics of fracture
圖10 鍍覆層微觀形貌Fig.10 Micro appearance of plating layer
通過以上試驗可知,中段卡箍組織正常,化學成分符合標準規(guī)定,硬度偏規(guī)定的上限值,裂紋起源于應力集中明顯的直角根部外側表層,源區(qū)以沿晶斷裂特征為主,沿晶區(qū)向擴展區(qū)和瞬斷區(qū)逐漸過渡到小尺寸韌窩特征,人工斷口未見沿晶斷裂特征,而均為韌窩斷裂特征;H含量較高。尾段卡箍組織正常,硬度偏規(guī)定下限值,裂紋起源于應力集中的內(nèi)側表層,整個斷口完全呈韌窩斷裂特征,斷面局部為鍍鋅層覆蓋。
根據(jù)已掌握的情況可知,中段卡箍具有以下4個特征:1)進行了電鍍處理,且在裝配一段時間內(nèi)發(fā)生的斷裂,具有延遲斷裂特點;2)卡箍外表面受拉應力,斷裂發(fā)生在裝配孔附近的直角根部,也就是卡箍承受應力最大,應力集中最為嚴重的根部;3)裂紋形核于根部并沿心部擴展,斷面較平坦、干凈,無腐蝕產(chǎn)物,裂紋形核區(qū)域基本均為沿晶斷裂特征,且越靠近鍍鋅表層,沿晶區(qū)越多,沿晶特征越明顯;4)人工斷口均為韌窩斷裂特征,未見沿晶斷裂特征。
以上4種特征完全符合氫致延遲斷裂的基本特征,由此可判斷中段卡箍斷裂性質應為氫致延遲斷裂。從H含量測定的結果看,卡箍H含量達到6 kg/m3,H含量已經(jīng)相當高。影響材料發(fā)生氫脆的因素主要有H含量、材料強度和應變速率。其中H含量和材料強度對氫脆的影響最為顯著。氫脆斷裂的臨界應力極限σH隨著材料強度的升高而急劇下降,一般硬度低于22 HRC時不發(fā)生氫脆斷裂而產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。工程經(jīng)驗表明,對于一般結構鋼,當氫含量大于5 kg/m3時就可能發(fā)生氫脆,而對于高強鋼、超高強度鋼,H含量小于1 kg/m3也有可能發(fā)生氫脆開裂[6]。T8A作為一種碳素工具鋼,主要用作承受沖擊負荷及需要適當硬度并具有較好韌性的各種工具[7]。為使得卡箍具有較好的彈性,標準規(guī)定要求熱處理保證硬度在42~46 HRC,組織檢查發(fā)現(xiàn)為回火馬氏體,實測硬度達到規(guī)定上限,在如此高強度下,氫脆斷裂傾向急劇增加。建議在滿足設計要求的前提下,適當提高回火溫度,以降低強度,同時獲得足夠的韌性,降低氫脆發(fā)生的可能性[8]。根據(jù)零件的制造工藝分析,H元素應來源于鍍鋅過程。
分析表明:尾段卡箍在鍍鋅前裂紋已經(jīng)產(chǎn)生,從斷裂的部位和制造工藝來看,裂紋應產(chǎn)生于成形階段。
綜上所述,中段卡箍斷裂性質為氫致延遲斷裂,導致其氫脆的主要因素是卡箍的H含量偏高,同時,較高的強度對斷裂的發(fā)生起到了促進作用。尾段卡箍斷裂性質為過載斷裂,局部裂紋缺陷的存在引起承載力下降。
1)中段卡箍斷裂性質為氫致延遲斷裂。
2)尾段卡箍斷裂性質為過載斷裂。
3)中段卡箍氫脆的主要因素是H含量偏高,同時,較高的強度對斷裂的發(fā)生起到了促進作用。
4)尾段卡箍發(fā)生過載斷裂的主要原因是成形過程產(chǎn)生的裂紋缺陷引起承載能力下降。
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