錐裙鎖表面疑似裂紋磁痕顯示原因分析

曹 強(qiáng) ， 姜 濤 ， 顧 偉 ， 高 晗

（1.國營蕪湖機(jī)械廠，安徽 蕪湖 241007；2.中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；4.航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；5.材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京；6.中國航空發(fā)動機(jī)集團(tuán)材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；7.國營海山機(jī)械廠，河北 石家莊 050208）

0 引言

錐裙鎖是用于飛機(jī)雷達(dá)罩和機(jī)尾罩與機(jī)體連接重要緊固件，其可靠性直接影響飛機(jī)安全，一旦失效會導(dǎo)致雷達(dá)罩和機(jī)尾罩與機(jī)體脫落。因此，對錐裙鎖異常磁痕顯示原因進(jìn)行深入研究十分必要。

飛機(jī)錐裙鎖隨飛機(jī)進(jìn)廠修理磁粉檢測時，多件表面出現(xiàn)線形磁痕顯示，且大都集中在零件大圓弧表面（圖1a），表面部分打磨后磁粉檢查仍有磁痕顯示。錐裙鎖材料牌號為ZG0Cr14Ni5Mo2Cu，熔模鑄造成型，熱處理后σb為(1325±100) MPa，表面化學(xué)磷酸鹽氧化和憎水處理。

圖1 錐裙鎖磁粉顯示部位Fig.1 Agnetic powder display position of cone skirt lock

ZG0Cr14Ni5Mo2Cu 為沉淀硬化型馬氏體高強(qiáng)度不銹鋼，該鋼具有良好的鑄造性能、耐腐蝕性和焊接性能，主要用于飛機(jī)上需要耐腐、耐熱、形狀復(fù)雜、強(qiáng)度要求較高的零件[1-2]；但此類材料制件磁粉檢測時，時常會出現(xiàn)數(shù)條非裂紋缺陷的干擾磁痕，使得磁痕顯示性質(zhì)難以判斷，從而對無損檢測的正確評價造成嚴(yán)重影響[3-4]。本研究針對已隨機(jī)使用2000 h 以上且具有典型異常磁痕顯示的錐裙鎖，開展表面形態(tài)電鏡觀察、顯示區(qū)剖面金相檢查、組織微區(qū)成分能譜分析、材料硬度測試、XRD 相分析以及模擬熱處理等試驗，采用表面形態(tài)-組織特點-成分分布-磁性變化相結(jié)合的研究思路，探究出現(xiàn)異常磁痕顯示的原因，為該類材料零件磁粉檢測結(jié)果的正確評價提供依據(jù)和借鑒[5-7]。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

錐裙鎖表面呈銀灰色，磁痕顯示區(qū)域表面經(jīng)過打磨變得光亮，未見腐蝕等異常損傷。在兩處交角部位磁痕較集中分布。磁痕曲折、多條，大致在轉(zhuǎn)角槽底沿縱向分布，其走向與表面打磨方向不同（圖1b）。

1.2 微觀觀察

在掃描電鏡下觀察，錐裙鎖表面較完整，未見明顯溝槽、疏松等缺陷；表面雖可見打磨痕跡，但磁粉聚集區(qū)與打磨痕跡之間無明顯對應(yīng)關(guān)系。放大觀察，除了肉眼可見的粗大磁痕外，錐裙鎖表面還可見短小的細(xì)微磁痕，其走向接近（圖2）。

1.3 金相組織檢查

在錐裙鎖上取磁痕顯示區(qū)剖面及耳片表面進(jìn)行組織觀察。磨拋，并采用5 mL HCL+1 g 苦味酸+100 mL 乙醇溶液浸蝕后的典型低倍組織形貌見圖3，所有截面上均可見組織不均勻現(xiàn)象，在錐裙鎖表面存在不規(guī)則分布的白亮區(qū)。白亮區(qū)的尺度、形態(tài)各異：磁痕顯示部位可見亮色彎曲條紋；耳片縱向試樣白亮區(qū)面積更大，深度在數(shù)毫米；錐裙鎖心部主要呈暗灰色。

對剖面的高倍金相組織進(jìn)行觀察，錐裙鎖耳片宏觀白亮區(qū)內(nèi)：靠近表面部分完全白亮，未見組織特征，靠近心部隱約可見板條狀組織，與心部暗灰色區(qū)組織形態(tài)相同，但浸蝕程度明顯不同，晶界上局部可見暗灰色組織，白區(qū)的最表層局部也可見暗灰色板條組織（圖4a）。磁痕顯示區(qū)橫剖面上，靠近表面白亮組織也增多，枝晶間白亮區(qū)更大、更連續(xù)，圓弧表面未見成片分布的白亮區(qū)（圖4b）。錐裙鎖心部主要為暗灰色板條組織，其間可見分布于枝晶間的白亮組織，呈不規(guī)則的塊狀、條狀（圖4c）。

圖2 表面磁粉宏觀分布及顯示部位表面形態(tài)Fig.2 Macroscopic distribution of surface magnetic powder and surface morphology of display position

圖3 錐裙鎖各剖面低倍組織形態(tài)Fig.3 Low-magnification morphology of sections of cone skirt lock

圖4 耳片金相組織Fig.4 Microstructure of ear piece

總體來看，錐裙鎖組織以板條馬氏體、殘余奧氏體為主，宏觀白亮區(qū)中應(yīng)該大部分以殘奧為主，表層、晶間存在板條馬氏體；宏觀暗灰色區(qū)主要以板條馬氏體為主，枝晶間殘余奧氏體較多。

1.4 微區(qū)成分分析

在錐裙鎖金相試樣上對白亮區(qū)和暗灰色區(qū)成分進(jìn)行電子探針分析，結(jié)果見表1，兩種組織區(qū)元素及含量符合該材料化學(xué)成分含量，未見明顯差異。

1.5 硬度測試

使用Qness Q10A+硬度計在錐裙鎖各截面上測試不同組織區(qū)的維氏硬度，結(jié)果見表2，可見白亮區(qū)硬度普遍低于暗灰色組織區(qū)，特別是表層大片白亮區(qū)的硬度相對更低。根據(jù)GB/T 1172—1999將硬度換算成抗拉強(qiáng)度，暗灰色區(qū)σb為1500 MPa左右，白亮區(qū)σb為890～1100 MPa，明顯低于技術(shù)要求（σb為1225～1425 MPa）。

表1 錐裙鎖不同組織區(qū)成分電子探針分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Electron probe analysis results of components of different structure areas of cone skirt lock (mass fraction /%)

表2 錐裙鎖各截面組織區(qū)硬度測試結(jié)果(HV0.5)Table 2 Hardness test results of sections of cone skirt lock (HV0.5)

1.6 XRD 相分析

使用D8 ADVANCE X 射線衍射儀對錐裙鎖的白亮區(qū)、暗灰色區(qū)組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析，外側(cè)白亮區(qū)奧氏體含量76.2%（體積分?jǐn)?shù)，下同），心部暗灰色區(qū)奧氏體含量68.4%，可見錐裙鎖各區(qū)域均有較多奧氏體組織，白亮區(qū)奧氏體更多，與金相觀察結(jié)果相符。

1.7 熱處理試驗

為了分析殘余應(yīng)力可能產(chǎn)生的異常磁痕顯示，試驗將錐裙鎖加熱至700 ℃保溫2 h 以消除殘余應(yīng)力對磁場的影響。試驗經(jīng)熱處理消除應(yīng)力后再次磁粉檢測，異常磁痕未見明顯改變，見圖5，說明異常磁痕顯示與殘余應(yīng)力無關(guān)。

為了分析熱處理對錐裙鎖中奧氏體組織的影響，將錐裙鎖試樣在580 ℃下保溫8 h，空冷，制備金相試樣進(jìn)行組織變化情況觀察。低倍組織見圖6a，邊緣白亮區(qū)顏色明顯變暗，與心部暗灰色區(qū)顏色接近。耳片邊緣原始白亮區(qū)內(nèi)出現(xiàn)大量板條馬氏體組織，殘余奧氏體明顯減少，心部組織變化不大（圖6b、圖6c）。

對熱處理后的各區(qū)硬度進(jìn)行測試，結(jié)果見表3，可見表層、心部不同組織區(qū)硬度接近，心部相比原始狀態(tài)有所降低，白亮區(qū)明顯升高，整體硬度變得均勻。根據(jù)GB/T 1172—1999 將硬度換算成抗拉強(qiáng)度，σb為1240 MPa 左右，符合技術(shù)要求（σb為1225～1425 MPa）。

2 分析與討論

通過對錐裙鎖外觀、低高倍組織、硬度和微區(qū)成分及相結(jié)構(gòu)的分析，可知：

圖5 錐裙鎖疑似裂紋消除應(yīng)力前后對比Fig.5 Comparison of suspected cracks of cone skirt lock

圖6 580 ℃時8 h 熱處理后的組織變化Fig.6 Microstructure changes after heat treatment at 580 ℃ for 8 h

表3 580 ℃時8 h 熱處理后的硬度變化(HV0.5)Table 3 Change in hardness after heat treatment at 580 ℃ for 8 h (HV0.5)

錐裙鎖表面打磨區(qū)存在肉眼可見的磁痕顯示，表面微觀觀察還存在細(xì)微的磁痕顯示，磁痕呈不規(guī)則條狀，走向接近。磁痕區(qū)表面未見明顯損傷和表面缺陷，磁痕分布與表面打磨形態(tài)無對應(yīng)關(guān)系；

錐裙鎖不同部位剖面均可見宏觀和微觀組織不均勻現(xiàn)象。宏觀不均勻主要體現(xiàn)在表面可見數(shù)毫米深度白亮組織區(qū)，其白亮區(qū)分布無明顯規(guī)律，心部為暗灰色組織；微觀不均勻主要體現(xiàn)在白亮區(qū)表層、晶界也可見板條組織，而心部板條組織區(qū)內(nèi)可見明顯的枝晶間白亮組織，枝晶間白亮組織大小不一，形狀與磁痕接近。白亮區(qū)主要為大量殘余奧氏體和板條馬氏體，心部暗灰色主要為板條馬氏體和枝晶間的殘余奧氏體，表層白亮區(qū)硬度明顯低于心部暗灰色區(qū)。

磁痕顯示區(qū)近表面可見明顯的枝晶間白亮組織，白亮區(qū)在錐裙鎖表面露頭，除此之外，未見表面其它缺陷。

磁痕顯示過程一般為：當(dāng)鐵磁性材料被磁化時，如果材料表面或次表面存在某些缺陷或組織差異，那么這些缺陷或組織差異將破壞材料磁性的連續(xù)性，會形成磁極（N-S 極），這些缺陷或組織差異所在部位將產(chǎn)生漏磁場，從而導(dǎo)致磁粉吸附[8-9]。對于錐裙鎖大量剖面的檢查發(fā)現(xiàn)，磁痕顯示區(qū)無明顯表面缺陷，只是發(fā)現(xiàn)表面的組織形態(tài)有所差異，存在板條馬氏體區(qū)和殘余奧氏體區(qū)，奧氏體屬于面心立方結(jié)構(gòu)，是無磁性的[9]。殘余奧氏體、碳化物均為順磁相，相對磁導(dǎo)率約為1；馬氏體為鐵磁相，相對磁導(dǎo)率為102～104，兩者磁性不同，會在磁粉檢測中引起表面出現(xiàn)磁痕顯示[10]。錐裙鎖部分枝晶間的殘奧含量更多，輪廓與粗大的磁痕接近，部分輪廓細(xì)小，可能引發(fā)微觀磁痕顯示，與涂文斌等研究結(jié)果一致[11]。

錐裙鎖磁痕主要分布在頭部多轉(zhuǎn)角區(qū)，這可能是因為其他區(qū)域表面存在完整白亮奧氏體區(qū)，表面組織相對均勻，而頭部表面宏觀白亮區(qū)較少，微觀組織差異更明顯有關(guān)，而與疲勞損傷無關(guān)。一般鑄鋼上述組織特征的出現(xiàn)與合金元素Cr、Ni 和C、S、P 偏析有關(guān)，對錐裙鎖微區(qū)進(jìn)行的能譜和探針分析表明，白亮區(qū)相比正常馬氏體區(qū)主要合金元素差異不大，因此判斷，其組織變化可能與C、S、P 類元素偏析有關(guān)。

檢查中發(fā)現(xiàn)，錐裙鎖耳片區(qū)表面存在數(shù)毫米的白亮殘余奧氏體區(qū)，該區(qū)硬度下降明顯，換算強(qiáng)度遠(yuǎn)低于設(shè)計要求，對錐裙鎖的安全性可能產(chǎn)生影響。580 ℃、8 h 熱處理后，隨著碳化物的析出，使得在冷卻過程中大量奧氏體發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變，使得殘余奧氏體的數(shù)量逐漸減少，這符合相關(guān)研究的一般規(guī)律[12]。此時，錐裙鎖白亮層內(nèi)產(chǎn)生大量馬氏體，整體組織變得接近，表層白亮區(qū)硬度升高、心部略下降，整體硬度均勻，換算強(qiáng)度基本符合技術(shù)要求，說明補(bǔ)充熱處理對改善錐裙鎖組織、性能有明顯效果。

3 結(jié)論

1）錐裙鎖磁痕顯示區(qū)未見表面缺陷，鑄鋼的枝晶間存在較粗大條狀分布的殘余奧氏體組織，這種組織差異破壞了材料磁性的連續(xù)性，導(dǎo)致其表面出現(xiàn)磁痕顯示。

2）錐裙鎖宏微觀組織不均勻，存在奧氏體富集區(qū)，其產(chǎn)生應(yīng)該與C、S、P 類元素偏析有關(guān)。