某型海面飛行器用閥門斷裂原因的失效分析

岳軒 盧猛

【摘 要】 綜合運用宏觀形貌、化學成分、金相顯微組織、SEM微觀形貌及X射線能譜分析手段，對閥門殼體斷裂進行了失效分析。結果表明：導致閥門殼體螺紋管根部斷裂原因是應力腐蝕開裂。針對影響應力腐蝕開裂的因素，提出閥門應選擇耐應力腐蝕的材料、優(yōu)化結構降低應力狀態(tài)、完善成形加工工藝等措施，避免此類失效發(fā)生。

【關鍵詞】 閥門斷裂 應力腐蝕 失效分析

2012年9月，某型海面飛行器用閥門在庫房存放時，其閥門殼體與瓶體連接的螺紋管根部突然發(fā)生斷裂故障，斷裂后，閥門沖破包裝箱飛出。該氣源裝置工作介質(zhì)為氦氣，工作壓力30MPa，工作溫度常年大于20℃。裝置于2010年12月交付使用，一直存放于庫房包裝箱內(nèi)（非密封）。

閥門與氣瓶組件通過M22×2的螺紋連接固定，共同組成某系統(tǒng)氣源裝置。閥門殼體由鋁合金擠壓棒7A09，T6狀態(tài)棒材機加而成，表面經(jīng)鋁合金鉻酸陽極化處理。

由于該氣源系統(tǒng)長期處在高壓、高濕、鹽霧氣氛等惡劣的存儲和使用環(huán)境當中，一旦失效，不僅影響其使用性能，還可能影響人員及整個裝備系統(tǒng)安全性。因此，對閥門出現(xiàn)的斷裂原因進行深入分析和探討，從根本上解決閥門斷裂故障，避免失效再次發(fā)生。

1 理化檢驗與結果

1.1 斷口宏觀形貌

通過體式鏡對閥門殼體斷口進行宏觀形貌觀察，如下圖所示，斷裂位置在閥門殼體與氣瓶組件連接的螺紋根部；斷口呈銀灰色，斷面平齊，與表面基本垂直，無明顯的塑性變形，形貌上有平行于斷口方向的條形特征，見圖1，閥門殼體其它表面完好，未見明顯的變形或異常損傷痕跡。

斷裂部位的螺紋根部圓弧過渡，倒角半徑為0.3mm，滿足設計要求R0.3。

1.2 材質(zhì)及力學性能分析

為考察閥門殼體材質(zhì)是否與失效有關，通過對閥門殼體取樣進行化學成分分析，其化學成分符合7A09-T6 GB3191-1982要求[1]，其材料化學成分如表1所示。

在閥門殼體斷口附近取樣進行硬度測試，將其轉(zhuǎn)換為強度，測結果符合高強度7A09鋁合金T6狀態(tài)棒材力學性能要求，如表2所示。

1.3 金相組織分析

沿平行于斷口平面方向磨取金相試樣，腐蝕后對其組織進行觀察觀察，閥門殼體材料由α相固溶體及第二相質(zhì)點組成，見圖2，其金相組織正常，無夾雜、氣孔等缺陷。另外，在表面附近多處見腐蝕坑，見圖3。

1.4 斷口微觀觀察

在掃描電鏡下對閥門殼體斷口進行微觀觀察，殼體管螺紋斷口的斷裂方向如圖4中箭頭所示。裂紋從平行于棒材軋制方向一側(cè)的螺紋根部表面起始，存在多個腐蝕坑，局部可見氧化膜開裂和多條從腐蝕坑處起始的裂紋特征，其形貌如圖5所示。整個斷面未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷。將裂紋源區(qū)進一步放大，可以觀察到裂紋源區(qū)表面已被腐蝕產(chǎn)物覆蓋，部分區(qū)域呈現(xiàn)沿晶斷裂形貌，還可以觀察到典型的“泥紋花樣”特征，如圖6、圖7所示。斷口大部分區(qū)域為擴展區(qū)，表面有腐蝕產(chǎn)物覆蓋，同時存在較多二次裂紋，形貌如圖8所示。

1.5 X射線能譜分析

對斷口表面進行X射線能譜分析，結果如圖9所示，其中含有較多的Cl元素和S元素。

2 斷裂原因

以上分析結果表明，發(fā)生斷裂的閥門殼體材料成分、機械性能及金相組織均符合標準要求，在斷口表面上未發(fā)現(xiàn)明顯的冶金缺陷，可排除由原材料本身原因造成斷裂失效的可能。此外，該氣源裝置一直存放于庫房專用包裝箱內(nèi)，由此排除了外力碰撞等操作不當因素的原因。

通過觀察，閥門殼斷口平整，與表面垂直，無明顯的塑性變形，在宏觀上有平行于斷口方向的條狀特征；在微觀上裂紋起始位置以沿晶斷裂特征為主，晶界輪廓不清晰，沿晶面上有腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物中含Cl、S腐蝕性元素，而斷口其余部位為沿晶+韌窩混合形貌特征，斷面上無明顯腐蝕產(chǎn)物，這些特征表明閥門的斷裂性質(zhì)為應力腐蝕開裂引起的快速脆性斷裂[2]。

應力腐蝕是金屬材料在拉應力（包括外加應力、殘余應力及熱應力等）和特定的腐蝕介質(zhì)聯(lián)合作用下所出現(xiàn)的低于其強度極限的脆性破裂現(xiàn)象。應力腐蝕裂紋的形態(tài)有晶間型、穿晶型和兩者兼有的混合型3種[3]。應力腐蝕大致分為三個階段：裂紋誘發(fā)階段、腐蝕裂紋增長階段、應力腐蝕裂紋穩(wěn)定增長階段。腐蝕裂紋大體上沿垂直于拉應力的方向發(fā)展，裂紋發(fā)展到嚴重階段，便從斷面裂開，端口呈現(xiàn)出脆性斷裂的特征[4]。金屬材料發(fā)生應力腐蝕的三要素為：金屬材料、應力和特定的腐蝕介質(zhì)。金屬只有在特定的介質(zhì)中才發(fā)生應力腐蝕開裂，即對于一定的金屬材料，需要有一定特效作用的離子、分子或化合物才會導致構件的應力腐蝕開裂。它們的濃度有時甚至很低，例如：鋁合金與海水、海洋大氣、NaCl+H2O等介質(zhì)[5] 。

應力腐蝕陽極溶解理論認為[7]：合金在應力和腐蝕介質(zhì)的作用下，表面的氧化膜被破壞，而破壞處相對于其余有膜覆蓋的表面來說是陽極，金屬原子溶解成為離子，形成溝形裂紋。當裂紋向縱深處發(fā)展時，應力集中于裂紋尖端處，使附近區(qū)域發(fā)生微小塑性變化。這種情況又反過來加速陽極溶解，阻止膜的再生，同時在裂紋兩邊因有效應力很快消失，再生成膜又可以形成陰極。這樣裂紋在應力持續(xù)作用下，通過電化學過程反復作用，最終導致金屬裂紋發(fā)展、直至開裂。

綜合分析閥門殼體斷裂的各方面因素，可以歸納有以下幾個因素：

（1）閥門殼體材料使用超硬鋁7A09，T6狀態(tài)，該狀態(tài)合金強度最高，但是應力腐蝕腐蝕敏感度也高，材料的高向或周向具有嚴重的應力腐蝕傾向[6]。

（2）該氣源裝置存放于南方沿海倉庫，非密封包裝，與大氣中的水汽、鹽分直接接觸。為鋁合金材料應力腐蝕提供了特定的介質(zhì)。

（3）從故障件受力情況來看，斷裂部位為閥門殼體螺紋管與閥體連接處，該處設計倒角R0.3，存在應力集中的現(xiàn)象。閥門內(nèi)充30MPa壓力的氣體，閥門內(nèi)部高壓致使螺紋環(huán)承受較大拉伸應力。螺紋管安裝時，擰緊扭矩進一步增大了以上拉伸應力，并產(chǎn)生部分殘余扭應力。又由于閥門螺紋管表面陽極氧化膜與基體金屬的延展性存在差異，在拉伸、扭應力作用下，陽極氧化膜層被破壞，使裸露的基體金屬與氧化膜在特定的腐蝕介質(zhì)中形成電化學腐蝕的陽極和陰極，發(fā)生電化學反應，使裂紋持續(xù)較快發(fā)展。

（4）從工藝的角度分析，閥門殼體螺紋管斷面與棒材軋制方向平行，由于材料的各向異性[8]，材料各種取向之間的機械性能和應力腐蝕傾向具有明顯差異性，這在一定程度上削弱了閥門與瓶體連接的螺紋根部承載能力，也是導致斷裂失效的一個原因。

3 結論與建議

3.1 結論

閥門殼體材料為高強度變形鋁合金7A09，T6狀態(tài)，該狀態(tài)對應力腐蝕較敏感；產(chǎn)品存放于沿海地區(qū)，具有潮濕的鹽霧氣氛，這為應力腐蝕提供了腐蝕介質(zhì)；閥門在內(nèi)壓與擰緊力的作用下在螺紋根部產(chǎn)生拉、扭應力，且存在應力集中現(xiàn)象；閥門與氣瓶連接螺紋受力方向與棒材軋制方向相同，一定程度上削弱了閥門與氣瓶連接螺紋根部的承載能力和抗腐蝕能力。

3.2 建議

（1）閥門殼體的材料改為7A09，T73狀態(tài)，模鍛件。該狀態(tài)材料具有優(yōu)異的耐應力腐蝕能力，應力腐蝕門檻值大于300MPa。

（2）在滿足使用要求的前提下，增大閥門殼體螺紋根部倒角，增大閥門殼體管螺紋壁厚，降低管螺紋應力狀態(tài)。

（3）改進閥門殼體的成形加工工藝?？紤]閥門殼體與氣瓶連接螺紋承力方向與材料取向的關系。同時，考慮到該閥門在海洋濕熱鹽霧環(huán)境下工作，建議閥門殼體使用鋁合金陽極化+噴漆的表面防護體系。

（4）改進裝配工藝，限制閥門殼體螺紋管安裝擰緊力矩，降低螺紋管裝配殘余應力。

參考文獻

[1]王文斌.機械設計手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2004：3-290.

[2]陶春虎.軍工產(chǎn)品失效分析技術手冊[M].北京：國防工業(yè)出版社，2009：77-78.

[3]金亞奎.奧氏體不銹鋼三通裂紋分析[J].壓力容器，2009：32-36.

[4]梁成浩.現(xiàn)代腐蝕科學與防護技術[M].上海：華東理工大學出版社，2007：30-36.

[5]廖景娛.金屬構件失效分析[M].北京：化學工業(yè)出版社，2003：96-117.

[6]師昌緒.工程材料實用手冊[M].北京：中國標準出版社，2002：258.

[7]杜愛華，龍晉明，裴和中.高強鋁合金應力腐蝕研究進展[N].中國腐蝕與防護學報，2008-4-28.

[8]師昌緒.金屬材料學[M].北京：冶金出版社，2002：258.