履帶限位塊開裂分析

張寶東 ， 侯 銳 ,2， 張 兵 ， 毛藝蒙

（1. 北京北方車輛集團有限公司，北京 100072；2. 陸裝駐北京地區(qū)某軍代室，北京 100072；3. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；4. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；5. 航空材料檢測與評價北京市重點實驗室，北京 100095；6. 中國航空發(fā)動機集團材料檢測與評價重點實驗室，北京 100095；7. 材料檢測與評價航空科技重點實驗室，北京 100095）

0 引言

由于H 滲入金屬內(nèi)部導(dǎo)致?lián)p傷，從而使零件在低于材料屈服極限的應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生失效稱為氫致失效，俗稱氫脆。由于零件氫脆開裂屬于脆性延遲破壞，在開裂之前并無征兆，難以通過正常檢查程序加以識別。此外，氫脆大都與“批次性”有關(guān)，破壞性大；因此，一旦零件發(fā)生氫脆開裂可能會造成嚴重的后果[1-4]。

經(jīng)過近一個世紀的研究，人們對于氫脆機理、氫脆損傷的表現(xiàn)、影響因素以及工程控制已經(jīng)有了較深入的認識。比如氫脆機理方面形成氫壓理論、弱鍵理論、表面吸附理論、氫與位錯交互作用理論等比較著名的理論[5]。但是工程上鋼制零件的氫脆問題仍然頻繁出現(xiàn)，特別是近些年來，由于高強結(jié)構(gòu)材料以及新的表面處理工藝的大量應(yīng)用，氫脆開裂在工程上呈現(xiàn)出一系列新的現(xiàn)象和特點[6]，應(yīng)引起高度重視。電鍍和酸洗等表面處理過程中引入H 從而導(dǎo)致零件發(fā)生氫脆開裂的現(xiàn)象屢見不鮮，而由于滲鋅工藝引入H 最后導(dǎo)致氫脆的現(xiàn)象尚未見報道。對滲鋅工藝引入H，進而導(dǎo)致零件氫脆開裂的故障現(xiàn)象和機理進行分析并提出相應(yīng)措施，對于工程上類似故障的預(yù)防具有很好的警示和借鑒意義。

車輛履帶在拆卸維護過程中發(fā)現(xiàn)部分限位塊有裂紋，對裝配完一段時間尚未出廠的履帶進行檢查，發(fā)現(xiàn)也有部分限位塊存在裂紋。限位塊材質(zhì)為42CrMo 鋼。制造工藝為：下料→機械加工→熱處理（850 ℃，油冷+420 ℃，水冷）→表面滲鋅（370～375 ℃保溫約4 h）。滲鋅劑為：鋅粉+Al2O3+NH4Cl+助滲劑。本研究通過宏微觀觀察、能譜成分分析、金相組織檢查、硬度測試、H 含量測定以及排查對比試驗，確定限位塊的開裂性質(zhì)和原因，提出相應(yīng)措施，并進行試驗驗證。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

限位塊宏觀形貌見圖1，各限位塊開裂位置和裂紋形貌相似。裂紋主要位于螺栓孔左右兩側(cè)，沿螺栓孔縱向貫穿2 個端面，部分限位塊頂端也發(fā)生開裂。限位塊螺栓孔裂紋均從螺栓孔處起源，頂端裂紋從外表面起源，斷面均比較平坦，未見明顯塑性變形（圖2）。

圖 1 開裂限位塊宏觀形貌Fig.1 Macro appearance of cracking stop blocks

圖 2 限位塊斷口宏觀形貌Fig.2 Macro appearances of fracture surfaces

1.2 微觀觀察

限位塊斷口經(jīng)超聲清洗后在掃描電鏡下進行微觀特征觀察。各斷口微觀形貌相似：源區(qū)位于次表面，裂紋斷口主要呈沿晶斷裂特征，局部可見韌窩特征，斷口晶面可見雞爪痕（撕裂棱線）特征，斷面未見明顯腐蝕性產(chǎn)物，人工打開區(qū)主要呈韌窩特征，局部可見少量解理和沿晶特征（圖3）。

1.3 斷口成分分析

利用能譜分析儀對限位塊斷口沿晶開裂區(qū)進行成分分析。沿晶開裂區(qū)未見腐蝕性元素（表1）。

表 1 斷口沿晶區(qū)能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分數(shù) /%）Table 1 EDS analysis result of intergranular cracking zone of fracture surface（mass fraction /%）

圖 3 限位塊斷口微觀形貌Fig.3 Micro appearances of fracture surface of stop block

1.4 金相組織檢查

從開裂限位塊取截面試樣，磨拋腐蝕后在光學(xué)顯微鏡下進行金相組織檢查。限位塊基體組織為回火屈氏體，組織未見異常，表層滲鋅層厚約15～30 μm（圖4）。

1.5 硬度測試

分別從開裂限位塊以及熱處理后未滲鋅的限位塊上取試樣，磨拋后進行顯微硬度測試，結(jié)果見表2。開裂限位塊和未滲鋅限位塊基體顯微硬度接近，平均值分別約為HV 459、454。根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》換算成布氏硬度約為HB 446、441，處于技術(shù)要求的中上限（HB 401～460）。

1.6 H 含量測試

分別從開裂限位塊表層（帶滲鋅層）、心部以及熱處理后未滲鋅的限位塊心部取測H 試樣，進行H 含量測定。2 個限位塊心部H 含量均小于1×10?6，帶有滲鋅層的試樣H 含量較高（9×10?6）。

圖 4 限位塊金相組織Fig.4 Microstructures of stop block

1.7 排查對比試驗

為進一步確定裂紋產(chǎn)生的時間和影響因素，進行如下排查對比試驗：1）滲鋅限位塊100 件，裝配前經(jīng)無損檢測無裂紋，裝配后目視檢查無裂紋，約18 h 后目視檢查有3 件出現(xiàn)明顯裂紋，并且隨著時間推移，出現(xiàn)裂紋的限位塊逐漸增多；2）熱處理后未滲鋅限位塊100 件，裝配后目視檢查無裂紋，5 d 后目視檢查無裂紋，拆卸后進行無損檢測無裂紋。

表 2 限位塊顯微硬度(HV)測試結(jié)果Table 2 Micro hardness testing results of stop blocks (HV)

2 分析與討論

2.1 開裂性質(zhì)分析

根據(jù)故障背景分析、裂紋斷口宏微觀形貌觀察以及金相組織檢查等結(jié)果，可以得出以下規(guī)律：1）限位塊裝配或使用一段時間后發(fā)生開裂，時間上具有延遲開裂的特點；2）裂紋從次表面起源，裂紋斷口主要呈沿晶斷裂特征，并且在晶面上存在雞爪痕特征?氫致延遲開裂的典型特征；3）斷口未見明顯腐蝕產(chǎn)物和腐蝕性元素；4）限位塊開裂部位未見冶金、組織缺陷。綜合以上特點，特別是其中延遲開裂、次表面裂紋、晶面雞爪痕等典型特征，可以判定限位塊開裂性質(zhì)為氫致延遲脆性開裂。

2.2 開裂原因分析

鋼發(fā)生氫致延遲脆性開裂主要受以下幾方面因素的影響：H 含量、材料強度、拉應(yīng)力水平、應(yīng)變速率等，其中H 含量和材料強度是最關(guān)鍵的2 個因素。在一定的拉應(yīng)力作用下，鋼制零件內(nèi)部的H 含量越高，則越容易發(fā)生氫脆開裂。而鋼發(fā)生氫脆開裂所需的臨界H 含量通常又受到材料強度和組織狀態(tài)等因素的影響[6-7]。隨著材料強度升高，氫脆敏感性增加，發(fā)生氫脆開裂所需的H 含量降低。一般鋼中的H 含量在5×10?6以上時可能會發(fā)生氫脆開裂，而高強度鋼即使H 含量小于1×10?6，都有可能會產(chǎn)生氫致裂紋[8-9]。

開裂限位塊基體顯微硬度約HV 459，換算成抗拉強度σb約1517 MPa，屬于高強度鋼，具有較高的氫脆敏感性。此外，限位塊人工斷口局部可見沿晶斷裂特征，說明限位塊材料脆性較大，材料本身的脆性會和氫脆現(xiàn)象疊加，從而導(dǎo)致材料氫脆敏感性增大[10-12]。

開裂限位塊和未滲鋅的限位塊心部H 含量均小于1×10?6，而帶有滲鋅層的試樣H 含量較高（9×10?6）。排查對比試驗顯示，滲鋅限位塊裝配完一段時間后逐漸發(fā)生氫脆開裂，而未滲鋅的限位塊裝配一段時間后均未出現(xiàn)裂紋。由此可判斷，滲鋅限位塊氫脆開裂主要與表層較高的H 含量有關(guān)。

鋼制零件中的H 通常來自以下幾個途徑：1）冶煉和熱處理過程中進入的H；2）焊接過程中進入的H；3）酸洗和電鍍等表面處理過程中進入的H；4）使用環(huán)境下滲入的H。開裂限位塊和未滲鋅的限位塊心部H 含量均小于1×10?6，而帶有滲鋅層的試樣H 含量較高。限位塊未經(jīng)焊接處理，在室溫空氣環(huán)境下保存和使用。由此可判斷，滲鋅限位塊表層較高的H 含量源自第3 個途徑。開裂限位塊表面經(jīng)過滲鋅處理，滲鋅后未進行除氫處理。滲鋅劑中包含NH4Cl，NH4Cl 受熱可分解成NH3和HCl：

反應(yīng)產(chǎn)生的H 除了以H2的形式逸出外，還有部分H 可能進入金屬內(nèi)部（圖5a）。進入金屬后，部分H 可能解離成離子和電子，這種H+被電子所束縛，活動能力降低。而以原子存在的H 則并不被靜電所吸引，它們在濃度梯度下擴散而占據(jù)晶體點陣中的空隙、空穴、位錯等缺陷處。限位塊裝配后，H 原子在外力的作用下通過擴散與位錯一起沿著滑移面移動，并逐漸在晶界或者其他內(nèi)部缺陷處形成位錯與H 原子的塞積（圖5b），導(dǎo)致這些位置的金屬發(fā)生脆化，進而形成微裂紋并擴展。對限位塊人工打斷時，材料的變形速率非常快，H 的擴散速率跟不上位錯的移動，難以形成H 原子的堆積與偏聚，H 的脆化作用不明顯。

2.3 預(yù)防措施及試驗驗證

鋼制零件的氫脆開裂一般可從以下3 方面進行控制：1）適當降低材料強度，改善韌性；2）降低材料中的H 含量；3）降低拉應(yīng)力水平。限位塊氫脆開裂主要與表層H 含量較高有關(guān)，限位塊在滲鋅過程中存在吸氫現(xiàn)象，滲鋅后未做除氫處理，通過調(diào)整滲鋅工藝減少吸氫或者增加除氫工藝來降低限位塊表層H 含量，可以預(yù)防氫脆開裂。此外，限位塊材料強度處于材料技術(shù)要求上限，人工斷口局部可見沿晶斷裂特征，材料脆性較大，通過調(diào)整熱處理工藝使材料強度接近設(shè)計下限并降低脆性，可以降低材料的氫脆敏感性。

圖 5 限位塊吸氫以及氫向晶界聚集示意圖Fig.5 Schematic illustration of hydrogen ingress into stop block and gathering at grain boundaries

調(diào)整滲鋅工藝（去除滲鋅劑中的氯化銨）后，按照HB 5 067.1—2005 對滲鋅試棒進行氫脆試驗，滲鋅試棒在200 h 內(nèi)均未發(fā)生斷裂。此外，車輛行駛1000 km 后，對新滲鋅工藝滲鋅的限位塊進行檢查，未發(fā)現(xiàn)裂紋。結(jié)果表明，調(diào)整滲鋅工藝（去除滲鋅劑中的NH4Cl）可以有效防止限位塊氫致裂紋的產(chǎn)生。

3 結(jié)論

1）限位塊開裂性質(zhì)為氫致延遲脆性開裂。

2）限位塊材料硬度接近設(shè)計上限并且脆性較大，本身具有較高的氫脆敏感性。

3）滲鋅過程中引入氫導(dǎo)致限位塊表層H 含量較高，是限位塊發(fā)生氫脆開裂的主要原因。

4）調(diào)整滲鋅工藝，防止?jié)B鋅過程中引入H，可有效預(yù)防限位塊氫致裂紋的產(chǎn)生。