從失效案例中探討發(fā)紋缺陷的常見表現(xiàn)及危害

姜 濤 ， 張 兵 ， 王 智 ， 張寶東

（1. 中國航發(fā)北京航空材料研究院，北京 100095；2. 航空工業(yè)失效分析中心，北京 100095；3. 航空材料檢測與評(píng)價(jià)北京市重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；4. 材料檢測與評(píng)價(jià)航空科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；5. 中國航空發(fā)動(dòng)機(jī)集團(tuán)材料檢測與評(píng)價(jià)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100095；6. 北京北方車輛集團(tuán)有限公司，北京 100072）

0 引言

一般認(rèn)為，鋼中非金屬夾雜物、氣孔在軋制和拉拔過程中隨著金屬的變形伸長而形成發(fā)紋[1]。發(fā)紋是金屬材料中較為常見且很難避免的一種缺陷，已有工程經(jīng)驗(yàn)表明，含發(fā)紋結(jié)構(gòu)在應(yīng)力作用下可能于發(fā)紋缺陷處萌生裂紋，導(dǎo)致成型過程開裂廢品率上升或降低零部件使用壽命，甚至導(dǎo)致斷裂失效事故的發(fā)生[2-3]。對于對表面完整性要求較高的關(guān)鍵承力結(jié)構(gòu)（如車軸、齒輪），發(fā)紋的危害十分顯著，因此，在鐵路、航空、航天等對產(chǎn)品可靠性要求很高的工業(yè)領(lǐng)域，發(fā)紋缺陷的檢驗(yàn)與控制受到越來越多的關(guān)注，如GJB 1951—1994《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中就提出采用塔形試樣檢查發(fā)紋。

當(dāng)前的研究更多集中在對發(fā)紋缺陷產(chǎn)生原因與控制方法以及發(fā)紋缺陷的檢測控制方面，如冶煉、鑄造工藝方法的優(yōu)化[4-5]，磁粉等無損檢測與判斷方法的改進(jìn)[6]，但對發(fā)紋缺陷的具體表現(xiàn)形式及其可能引發(fā)的危害方面未見集中報(bào)道。本研究通過對典型失效案例的介紹，從中總結(jié)并闡述發(fā)紋的特點(diǎn)與危害性，不但有助于提高設(shè)計(jì)人員對發(fā)紋危害性的認(rèn)知，也可為發(fā)紋缺陷的檢測評(píng)價(jià)提供更直觀的借鑒。

圖 1 鍛件超聲檢測顯示部位發(fā)紋缺陷Fig.1 Hairline crack defect of forging part

圖 2 缺陷區(qū)內(nèi)容物微觀形貌Fig.2 Micro appearance of contents within defect

1 典型案例分析

1.1 0Cr17Ni4Cu4Nb 鍛件超聲檢測缺陷顯示

0Cr17Ni4Cu4Nb 不銹鋼經(jīng)過下料?130 mm→鍛造→固溶熱處理，最終進(jìn)行超聲檢測，發(fā)現(xiàn)46 件鍛件中有16 件存在內(nèi)部缺陷。

對缺陷顯示區(qū)進(jìn)行磨拋觀察，缺陷呈鏈狀，鏈的兩側(cè)分布較多的黑色質(zhì)點(diǎn)（圖1）。缺陷內(nèi)部除黑色渣狀物質(zhì)外還存在較多的多面體顆粒（圖2）。缺陷內(nèi)物質(zhì)組成接近，O 含量均較高，所含元素與鍛件基體完全不同，應(yīng)為外來物質(zhì)。渣狀物內(nèi)含有元素Ce、Ca，而多面體顆粒含有V。分析結(jié)果表明，不銹鋼鍛件內(nèi)部存在發(fā)紋缺陷，長度方向與鍛件長邊近似平行，產(chǎn)生超聲缺陷信號(hào)。

1.2 1Cr17Ni2 傳動(dòng)軸磁痕缺陷顯示

傳動(dòng)軸機(jī)加后進(jìn)行磁粉檢測，發(fā)現(xiàn)在軸桿表面存在軸向磁痕顯示。

磁粉顯示出現(xiàn)在傳動(dòng)軸的光桿部位，沿軸向?qū)鲃?dòng)軸垂直磁痕切開，對截面磨制拋光后進(jìn)行檢查，發(fā)現(xiàn)在磁痕顯示部位存在一條形缺陷（圖3）。在掃描電鏡下觀察，缺陷中段相對較寬，而兩側(cè)較細(xì)，多分叉，內(nèi)部布滿夾雜物，夾雜物主要由Al 和Mg 的氧化物構(gòu)成。分析結(jié)果顯示，傳動(dòng)軸近表面層存在沿軸向分布的含Al、Mg 氧化物的發(fā)紋缺陷，導(dǎo)致磁痕顯示的出現(xiàn)。

1.3 1Cr18Ni9Ti 鋼棒加工缺陷顯示

將?100 mm 鋼棒鋸切成20 個(gè)厚度為30 mm的圓形試樣，機(jī)械加工過程中發(fā)現(xiàn)，所有試樣均在相近位置存在線狀缺陷顯示，缺陷位于距離外圓約10～20 mm 范圍內(nèi)（圖4）。

試樣外緣加工斜面的缺陷近似呈直線狀，寬窄不一，呈灰色。微觀可見該缺陷由多個(gè)小的損傷區(qū)組成，這些損傷區(qū)表面可見剪切韌窩和刮擦痕跡，以及細(xì)小顆粒狀物質(zhì)，說明這些“面狀”損傷應(yīng)該出現(xiàn)在機(jī)械加工過程中。缺陷起始區(qū)存在明顯顆粒鑲嵌物，該物質(zhì)中除了C、O 非金屬元素以及少量Al、Si、Ti、V 金屬元素外，合金元素Mn、Cr 的含量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出1Cr18Ni9Ti 合金正常范圍（圖5）。

分析結(jié)果顯示，1Cr18Ni9Ti 鋼棒的次表面存在2 條軸向分布的連續(xù)發(fā)紋缺陷，其在鋼棒橫向切割時(shí)被截成多節(jié)；缺陷由大量高O、Mn、Cr 元素的顆粒氧化物組成，顆粒氧化物作為硬質(zhì)顆粒，在機(jī)械加工中受刀具拖動(dòng)刮傷金屬表面，形成“面狀損傷區(qū)”，在光亮加工表面中得以突出顯示。

1.4 30CrMnSiA 氣瓶組合體管嘴氣體泄漏失效

96 件氣瓶組合體進(jìn)廠復(fù)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)2 件質(zhì)量減輕。對其進(jìn)行氣密性檢查，確定為管嘴處漏氣所致。管嘴用材為30CrMnSiA 高強(qiáng)度鋼，原材料為電渣鋼棒。

漏氣部位表面存在2 個(gè)圓點(diǎn)狀缺陷，縱向磨拋觀察顯示線狀缺陷為縱向穿透性缺陷（圖6），該缺陷是導(dǎo)致漏氣的直接原因。電鏡觀察與能譜分析顯示，缺陷充滿夾雜物，其中含有O、Si、Al、Mn，還含有微量的Ca、Mg、Ti 元素，應(yīng)為Si、Al、Mn、Ca、Mg、Ti 的復(fù)合氧化物（圖7）。分析結(jié)果顯示，該缺陷為夾渣物沿著鍛造加工方向變形形成發(fā)紋缺陷，該夾渣物的成分應(yīng)與氣瓶裝藥管嘴原材料?電渣鋼棒材冶煉所采用的渣體系和脫氧劑相一致。

圖 3 傳動(dòng)軸磁痕顯示部位發(fā)紋缺陷Fig.3 Hairline crack defect of drive shaft

圖 4 鋼餅加工表面發(fā)紋缺陷Fig.4 Hairline crack defect of steel pie

1.5 電磁閥閥體氣體泄漏失效

60 件電磁閥做密封性檢查時(shí)發(fā)現(xiàn)有2 件出現(xiàn)氣體泄漏現(xiàn)象。閥體線圈架由內(nèi)、外軟磁合金GYJ130 閥體和1Cr18Ni9Ti 隔圈三部分電子束焊接而成。

圖 5 鋼餅缺陷縱向形態(tài)與元素分布Fig.5 Longitudinal pattern and elements distribution of hairline crack defect of steel pie

圖 6 氣瓶組合體管嘴泄漏處發(fā)紋缺陷Fig.6 Hairline crack defect at the leakage area of cylinder nozzle

圖 7 管嘴發(fā)紋缺陷內(nèi)部形貌Fig.7 Inner appearance of hairline crack defect of nozzle

閥體低倍未發(fā)現(xiàn)明顯異常，在掃描電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)，焊縫外圍GYJ130 軟磁合金閥體表面聚集分布的點(diǎn)狀、短線狀缺陷，內(nèi)部包裹著顆粒物，在縱向剖面中也可以觀察到類似缺陷（圖8），內(nèi)部包裹物含有較高的O、Al 元素。失效分析顯示，此類材料出現(xiàn)過多起發(fā)紋引起的漏氣失效問題。

圖 8 電磁閥閥體短發(fā)紋缺陷Fig.8 Short hairline crack defect of magnetic valve body

2 分析與討論

2.1 發(fā)紋常見形態(tài)與特點(diǎn)

發(fā)紋的宏觀形態(tài)與走向可以具有特定規(guī)律。一般工程上將金屬中氣泡和夾雜物隨金屬變形而被拉伸伸長后的缺陷形態(tài)稱為發(fā)紋。發(fā)紋一般不太長，但少數(shù)長度可達(dá)100 mm 以上，有的甚至可貫通整個(gè)工件，如案例3 中發(fā)紋延伸超過20 片金屬盤厚度總和。顧名思義，發(fā)紋宏觀形態(tài)多以斷續(xù)或連續(xù)的線狀出現(xiàn)，并沿變形方向分布，甚至有人認(rèn)為發(fā)紋就是指近似一維分布的線狀?yuàn)A雜類缺陷。但通過前面介紹的案例1、案例2 可以發(fā)現(xiàn)，發(fā)紋除了近似線狀的一維形態(tài)外，還存在片狀的二維分布形態(tài)，即有時(shí)發(fā)紋具有一定寬度以及較小的長寬比。此時(shí)發(fā)紋在不同截面上有著不同的走向與外形輪廓，通過相交面拋光觀察和微觀組成物分析可以確認(rèn)為同一缺陷。此外，當(dāng)二維缺陷長寬比很小時(shí)，有時(shí)甚至呈現(xiàn)面狀缺陷形態(tài)，如案例3 中加工表面上的發(fā)紋缺陷，這只是剖切面與片狀缺陷小角度相切的結(jié)果。此時(shí)，發(fā)紋走向開始偏離宏觀變形方向，但宏觀統(tǒng)計(jì)規(guī)律仍沿主變形方向。發(fā)紋常見形態(tài)見圖9。

圖 9 發(fā)紋常見形態(tài)示意圖Fig.9 Schematic illustration of common patterns of hairline crack defects

發(fā)紋微觀形態(tài)除了遵循大長寬比的基本輪廓外，細(xì)節(jié)特征各異。常見發(fā)紋缺陷類似裂紋形態(tài)，但閉合性差、兩端輪廓匹配性低，末端圓鈍，多含有內(nèi)容物，這是發(fā)紋與裂紋的幾點(diǎn)主要區(qū)別。因形成發(fā)紋的原始缺陷與內(nèi)容物不同，發(fā)紋的微觀形態(tài)也呈現(xiàn)不同特征。首先，有氣孔、氣泡類孔洞缺陷變形形成的發(fā)紋，其典型特征為有一定直徑的孔洞，直徑較均勻、走向平直，很少分叉；內(nèi)壁多褶皺，內(nèi)容物少，案例4 中發(fā)紋具有一定此類缺陷特點(diǎn)。其次，還有夾雜物、夾渣和氧化皮等缺陷在變形中拉長、破碎、變形形成的發(fā)紋。引起發(fā)紋的非金屬夾雜物，在一般鋼中多為硫化物、硅酸鹽及鏈狀分布的氧化物，在不銹鋼中多為氮化物[7]。此類發(fā)紋典型特征為縫隙較寬、邊緣輪廓極不規(guī)則，多伴生發(fā)紋或夾雜，有時(shí)多分叉。內(nèi)容物因組分、成因不同形態(tài)各異：夾雜物與普通夾雜基本一致，夾渣則呈團(tuán)聚的渣狀物，伴生尖晶石結(jié)構(gòu)。氧化皮類則內(nèi)容物致密，缺陷兩側(cè)多彌散的氧化物夾雜，案例2、案例3 具有此類發(fā)紋特征。

2.2 發(fā)紋的常見危害

根據(jù)以上失效案例的總結(jié)，發(fā)紋可能引發(fā)的危害主要包括：

1）發(fā)紋可能成為宏觀裂紋源引發(fā)結(jié)構(gòu)破壞。一般情況下，發(fā)紋對材料的力學(xué)性能無顯著影響，但工件中存在較大發(fā)紋并且處于高應(yīng)力區(qū)，工件局部晶格扭曲引起較大的應(yīng)力和應(yīng)力集中，極易成為產(chǎn)生疲勞裂紋的裂紋源。工程上對發(fā)紋的危害性認(rèn)識(shí)主要集中于此，這是發(fā)紋最常見的一種不利影響，危害也更為直觀。如火車軸類部件的早期疲勞源一般起始于其表面的發(fā)紋處[8]，高錳鋼板冷折開裂起源于次表面的發(fā)紋缺陷處[9]。而對于民用大型鍛件，發(fā)紋等細(xì)小缺陷可能導(dǎo)致整件的報(bào)廢，前期工藝付出付諸東流[10]。

2）超聲、磁粉檢測中導(dǎo)致偽裂紋顯示。超聲、磁粉等無損檢測方法已經(jīng)成為當(dāng)前金屬產(chǎn)品缺陷檢驗(yàn)的主要手段，其最主要的目的是篩除帶裂紋產(chǎn)品。而表面、淺表面發(fā)紋缺陷也會(huì)產(chǎn)生磁痕顯示，內(nèi)部面狀二維發(fā)紋則可能引起超聲波信號(hào)的變化。GJB 10121—2008《鋼材塔形發(fā)紋磁粉檢測方法》就是利用上述特性來顯示發(fā)紋缺陷，但由于發(fā)紋與裂紋在磁痕顯示判斷上難度很大，必然增加疑似裂紋工件的比例，并且滲透、磁粉、解剖等多種檢測手段想配合[11]，不但增加解剖驗(yàn)證分析成本，對于關(guān)重部件甚至可能導(dǎo)致批次判廢，形成造成重大損失。

3）形成不可接受的表面缺陷。航空、航天產(chǎn)品為了保證精密配合、表面抗疲勞性能，民用產(chǎn)品為了視覺美觀，很多都采用精加工、超精加工和表面裝飾鍍層，較寬發(fā)紋、特別是與加工面小角相切的發(fā)紋會(huì)在加工表面產(chǎn)生無法接受的缺陷顯示。如同案例3 一樣，這種缺陷一方面會(huì)破壞工件表面完整性、一致性，從而導(dǎo)致特定功能喪失，如引起密封面配合失嚴(yán)而泄漏失效，滾動(dòng)面異常磨損失效等；另一方面會(huì)影響產(chǎn)品外觀，如裝飾鍍表面的瑕疵，都會(huì)造成大量浪費(fèi)。

5）穿透性發(fā)紋缺陷導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)泄漏失效。案例4、案例5 均為發(fā)紋導(dǎo)致容器泄漏失效的典型例子，當(dāng)鋼棒中存在氣孔類形成的發(fā)紋缺陷時(shí)，泄漏更容易、更早的發(fā)生；發(fā)紋為夾雜物類時(shí)，由于缺陷的斷續(xù)性不同、內(nèi)容部緊密程度差異，泄漏程度要輕得多，甚至?xí)憩F(xiàn)出一定的滯后性，特別是很多情況下，由于漏檢過程加壓時(shí)間較短，泄漏問題很難被發(fā)現(xiàn)，問題器件可能進(jìn)入系統(tǒng)，這對于需要長時(shí)間保持穩(wěn)定壓力的航空、航天器的特殊部件來說，發(fā)紋導(dǎo)致泄漏問題潛在的危害性難以估計(jì)。

同時(shí)，發(fā)紋導(dǎo)致泄漏由于泄漏點(diǎn)小、缺陷多，很難進(jìn)行準(zhǔn)確的失效原因定位，失效分析難度極大。發(fā)紋在原材料鋼棒中的分布隨機(jī)，具有偶然性，即便根據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)對每批材料的發(fā)紋情況進(jìn)行檢查仍不能排除其局部存在發(fā)紋的可能性，當(dāng)恰好存在發(fā)紋且沿著壁厚方向穿透，氣體就可能出現(xiàn)緩慢泄漏。由此可見，采用化學(xué)成分控制、精煉渣控制、夾雜物變形處理等方法[12]，在冶煉、鑄造過程中盡量消除發(fā)紋缺陷，并提高發(fā)紋自身和相關(guān)危害性檢測能力是預(yù)測此類問題的關(guān)鍵。

3 結(jié)束語

通過對5 個(gè)由發(fā)紋引發(fā)失效的案例進(jìn)行簡要分析，討論發(fā)紋缺陷的常見表現(xiàn)形式與工程危害，分析認(rèn)為，發(fā)紋缺陷雖然早已被人們發(fā)現(xiàn)和認(rèn)知，但其在材料中的表現(xiàn)形式多樣，即有近一維線狀形態(tài)也有二維片狀形態(tài)，甚至在小角度切面上可以呈現(xiàn)三維缺陷形態(tài)；即有斷續(xù)、連續(xù)分布走向一致的長發(fā)紋，也有粗短、隨機(jī)分布的短發(fā)紋。發(fā)紋的微觀表現(xiàn)形式和內(nèi)容物也不盡相同，檢驗(yàn)判斷技術(shù)上存在一定困難。應(yīng)當(dāng)從發(fā)紋的起源物和形成過程來判斷其性質(zhì)，簡單的經(jīng)驗(yàn)理解容易造成分歧。只有對發(fā)紋的表現(xiàn)形式進(jìn)行細(xì)致研究，才能更為準(zhǔn)確地判斷發(fā)紋成因，針對性地提出預(yù)防措施和檢驗(yàn)評(píng)價(jià)方法。

發(fā)紋缺陷常見的危害除眾所周知的促進(jìn)裂紋萌生外，還體現(xiàn)在引發(fā)無損檢測偽裂紋顯示、形成不可接受表面缺陷、導(dǎo)致密封結(jié)構(gòu)泄漏失效等諸多方面。本研究僅就有限幾個(gè)案例對其危害性進(jìn)行部分歸納，而只有通過不斷總結(jié)積累，才能更為充分地認(rèn)知發(fā)紋缺陷可能帶來的工程危害，從而在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期失效危害性分析時(shí)就加以考慮，提出必要的材料與檢驗(yàn)要求，才能更好地提高產(chǎn)品的質(zhì)量和可靠性。