ZG0Cr14Ni5Mo2Cu上位鎖支臂斷裂原因分析

張 碩，孫小嵐，康 凱

(中航工業(yè)沈陽飛機工業(yè)(集團)有限公司，沈陽 110850）

0 引言

金屬材料在冶煉、加工及使用過程中，經(jīng)常會有氫進(jìn)入材料中，使材料產(chǎn)生氫損傷，也稱氫脆，主要包括氫壓引起的微裂紋、高溫高壓氫腐蝕、氫致塑性損失以及氫致開裂或斷裂等。有關(guān)氫致開裂現(xiàn)象早在20世紀(jì)40年代開始研究，目前仍是材料科學(xué)研究中十分活躍的領(lǐng)域［1］。盡管已進(jìn)行了多年研究，依然無法杜絕氫脆現(xiàn)象的發(fā)生，在近年來新研制的 ZG0Cr14Ni5Mo2Cu材料中也出現(xiàn)了氫脆斷裂現(xiàn)象。

本研究通過現(xiàn)場調(diào)查、材料成分分析、金相組織觀察、斷口的宏微觀觀察、硬度檢測等手段，對生產(chǎn)裝配過程中遇到的ZG0Cr14Ni5Mo2Cu上位鎖支臂零件(以下簡稱支臂)氫脆斷裂的案例、影響因素及形成機理進(jìn)行分析，并依據(jù)試驗結(jié)果綜合分析，以確定該支臂斷裂性質(zhì)及原因。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 現(xiàn)場情況調(diào)查

支臂的加工工序為:鑄件→外形加工→熱處理→磁粉探傷→校形、精加工→磷化、除氫(除氫工藝102℃/8 h)→噴漆→裝配→電纜裝配。零件磷化前經(jīng)過校形處理，校形后無去應(yīng)力退火工序。在電纜裝配前例行檢查時發(fā)現(xiàn)支臂斷裂。

該支臂裝配螺栓時無限力要求。裝配時槽根部與裝配隔板之間存在過大間隙。與該支臂相連的隔板零件為7B04薄壁中空零件，其對接處為自由狀態(tài)無連接，剛性不足。零件裝配放置一周后發(fā)現(xiàn)開裂。該支臂零件圖紙規(guī)定強度(1 325±100)MPa，其力學(xué)性能采用的試件為隨爐澆注的梅花試棒，該批鑄件試棒力學(xué)性能符合標(biāo)準(zhǔn)要求，為1250～1300 MPa。

1.2 宏觀觀察

將斷裂的支臂零件拆下后觀察，斷裂件與隔板裝配的螺栓孔附近有明顯因安裝應(yīng)力過大導(dǎo)致的壓傷痕跡(圖1)。斷裂件U型槽一側(cè)根部存在明顯的壓傷痕跡，D處存在外翹變形;另一側(cè)(C面)內(nèi)表面上部區(qū)域有擦壓傷痕跡。裂紋相連棱邊有擦壓傷痕跡(圖2)。裂紋相連棱邊漆層和磷化層已破損，棱邊上存在壓傷痕跡(圖3)。

圖1 上位鎖支臂斷裂零件Fig.1 Cracking part of upper lock arm

圖2 斷裂零件擦壓傷痕跡Fig.2 Scratch marks of cracking part

1.3 斷口宏、微觀觀察

宏觀斷口平齊，為灰色，表面潔凈，無腐蝕產(chǎn)物。斷口上存在人字紋等放射花樣，放射條紋匯集于尖角處(圖4)。宏觀斷口表面未見冶金缺陷，斷口源區(qū)有擦傷痕跡。

在掃描電鏡下觀察，發(fā)現(xiàn)斷口源區(qū)附近被壓傷或磨損(圖5)。未壓傷的小塊區(qū)域存在沿晶斷裂形貌。晶界面上有顯微孔洞，晶界間有二次裂紋(圖6、圖7)。斷口擴展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌(圖8)。在零件的其他區(qū)域取人工打斷斷口，斷口起始于表面，斷口源區(qū)及擴展區(qū)為準(zhǔn)解理形貌。

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Macro appearance of fracture surface

圖4 宏觀斷口源區(qū)形貌Fig.4 Macro appearance of source area

圖5 斷口邊緣壓傷痕跡Fig.5 Crushing trace of fracture edge

1.4 化學(xué)成分分析

在斷裂件上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求。

1.5 硬度檢測

圖6 源區(qū)附近斷口沿晶形貌Fig.6 Intergranular fracture morphology near the source

圖7 源區(qū)附近斷口沿晶形貌Fig.7 Intergranular fracture morphology near the source

圖8 擴展區(qū)準(zhǔn)解理形貌Fig.8 Quasi cleavage morphology of propagation area

對基體進(jìn)行硬度檢測，其布氏硬度值為標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限(標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:用直徑10 mm鋼球進(jìn)行布氏硬度檢測，最小壓痕直徑2.9 mm。實測2.91 mm)。在支臂上取非標(biāo)準(zhǔn)拉伸試樣，拉伸試驗結(jié)果表明其抗拉強度約為1 450 MPa，強度接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限并略高于圖紙規(guī)定的(1 325±100)MPa。該試驗數(shù)據(jù)略高于該批驗收測試試棒的強度，主要與驗收用隨爐試棒截面尺寸較大有關(guān)。

1.6 金相檢驗

在斷裂位置附近取樣制備高倍試樣，腐蝕后在顯微鏡下觀察，顯微組織為正常的馬氏體沉淀硬化不銹鋼時效組織。

1.7 氫含量檢測及氫脆試驗

用砂紙打磨去除零件表面漆層和磷化膜后，取樣進(jìn)行氫含量分析，氫含量檢查結(jié)果為1.25～2.0 mg/L。在斷裂件基體上取2個氫脆試樣，在1200 MPa應(yīng)力下持續(xù)200 h均未發(fā)生斷裂。

2 分析與討論

斷裂件顯微組織正常，晶間未見明顯析出物，化學(xué)成分符合要求，且斷面上無明顯材質(zhì)缺陷，說明該零件斷裂與材質(zhì)無關(guān)。對斷口沿晶區(qū)觀察，未見腐蝕產(chǎn)物，支臂零件表面也不存在腐蝕坑等腐蝕特征，可以判斷該脆性開裂也與腐蝕無關(guān)［2］。

從斷裂件宏觀斷口形貌可知，裂紋起始于棱邊邊緣，向周圍擴展。斷口源區(qū)附近的沿晶形貌應(yīng)與磷化過程中H的滲入和聚集有關(guān)。由于斷口源區(qū)已壓傷，不排除校形過程中產(chǎn)生微小開裂并在磷化過程中局部聚氫的可能。微觀斷口形貌依次為沿晶、沿晶和準(zhǔn)解理、準(zhǔn)解理、準(zhǔn)解理及少量韌窩形貌，無明顯剪切唇，為脆性斷裂［3］。沿晶斷口斷面上有明顯的雞爪痕，為典型的氫致沿晶斷裂特征［4］。零件已經(jīng)過除氫處理，由氫含量測定可知，基體的氫含量為 1.25～2.00 mg/L。1200 MPa應(yīng)力下持續(xù)200 h未出現(xiàn)氫脆斷裂現(xiàn)象表明，零件發(fā)生脆斷可能受過大的應(yīng)力作用。

金屬材料發(fā)生氫致脆性斷裂，主要是由于H的擴散、富集引起的。材料的氫脆敏感性隨可擴散氫濃度的升高而升高。并且材料中可擴散氫在與局部應(yīng)力場的交互作用下，存在應(yīng)力誘發(fā)氫擴散和聚集造成氫局部濃度偏聚的特性［5］。螺栓連接處的壓傷痕跡表明，螺栓與該件連接時的裝配應(yīng)力過大。過大的裝配應(yīng)力是導(dǎo)致H元素聚集的重要因素。分析認(rèn)為，應(yīng)力過大主要起因于以下幾個方面:1)與該支臂相連的隔板零件為7B04薄壁中空零件，且對接處為自由狀態(tài)無連接，剛性不足，在螺栓裝配時，不能起到有效的支撐作用(裝配示意圖見圖9);2)該支臂裝配時U型槽根部與裝配隔板之間存在的過大間隙;3)螺栓連接時無限力要求。以上3個因素造成該支臂裝配時側(cè)壁向內(nèi)發(fā)生較大變形，在該支臂內(nèi)產(chǎn)生較大裝配應(yīng)力。分析認(rèn)為，裝配應(yīng)力過大是導(dǎo)致零件斷裂的重要因素。零件結(jié)構(gòu)是導(dǎo)致裝配應(yīng)力過大的直接原因。

圖9 支臂裝配示意圖Fig.9 Assembly diagram of arm

材料內(nèi)部的氫含量對其發(fā)生氫脆斷裂的影響往往又受到材料強度高低、成分和組織狀態(tài)等因素的影響。該支臂零件材料為ZG0Cr14Ni5Mo2Cu馬氏體沉淀強化不銹鋼，零件強度偏高，馬氏體組織和高的強度均導(dǎo)致氫脆敏感性增加［6］。

零件磷化前經(jīng)過校形處理，校形后無去應(yīng)力退火工序，在零件內(nèi)部形成殘余應(yīng)力對支臂在隨后磷化過程中吸氫和H元素在零件內(nèi)部聚集及零件開裂有一定的促進(jìn)作用。

綜合分析可知，零件中存在過大的裝配應(yīng)力、較高的殘余應(yīng)力、偏高的強度及馬氏體組織是導(dǎo)致零件氫脆敏感性增加的重要因素，在多個因素共同作用下導(dǎo)致零件氫脆斷裂。

3 改進(jìn)措施及實施效果

3.1 改進(jìn)措施

1)設(shè)計更改:隔板零件原為薄壁空心零件，設(shè)計更改后，零件在螺栓裝配部位局部變?yōu)閷嵭?，從而增加零件的剛度，減少上位鎖支臂的裝配應(yīng)力。改進(jìn)后的零件示意圖見圖10。

圖10 更改后隔板零件示意圖Fig.10 Assembly diagram of dummy plate after modification

2)零件加工校形后增加了去應(yīng)力退火工序。

3)適當(dāng)降低零件原材料的抗拉強度，控制在平均值。

3.2 實施效果

實施上述3個改進(jìn)措施后制造的支臂，并未發(fā)生斷裂現(xiàn)象。

4 結(jié)論

1)斷口源區(qū)附近表現(xiàn)為氫致開裂沿晶斷裂形貌與磷化過程中氫的滲入及向高應(yīng)力區(qū)氫的聚集有關(guān)，為氫致脆裂。

2)零件氫致脆裂是過大的裝配應(yīng)力、校形殘余應(yīng)力與氫共同作用下的結(jié)果。材料強度偏高也是導(dǎo)致其氫致脆裂的重要因素。

［1］褚武揚.斷裂與環(huán)境斷裂［M］.北京:科學(xué)出版社，2000:10－12.

［2］Nakajima M，Shimizu T，Tokaji K.Effect of crack size on dynamic SCC behavior of Ti-6Al-4V alloy in 3%NaCl solution［J］.Fatigue Fracture Engeneering Material Structure，1997，20(6):839.

［3］陳平南，顧守仁，沈萬慈，等.脆性失效分析［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1993:151－155.

［4］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.國防工業(yè)出版社，2004:204.

［5］劉昌奎.30CrMnSiA螺栓斷裂原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2008，3(2):42 －47.

［6］劉白.30CrMnSiA高強度鋼氫脆斷裂機理研究［J］.機械工程材料，2001，25(9):18 －21.