0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼波形彈性墊圈斷裂分析

郭先闖，李曉峰，陳小平

河南航天精工制造有限公司 河南信陽 464000

1 序言

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al是我國開發(fā)的一種新型半奧氏體型和節(jié)鎳控制相變沉淀硬化不銹鋼，該牌號(hào)在固溶狀態(tài)下組織為奧氏體，具有良好的韌性及加工成形性能，經(jīng)過適當(dāng)冷變形、冷處理以及時(shí)效后，組織轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體+沉淀強(qiáng)化相，可獲得很高的強(qiáng)度。該牌號(hào)由于其具有高強(qiáng)度、優(yōu)良的耐蝕性，在航空、航天等行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，被用于生產(chǎn)各類緊固件[1]。

本文針對某批材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼、內(nèi)孔直徑為3mm的波形彈性墊圈，在裝配后發(fā)現(xiàn)多件存在斷裂現(xiàn)象，因此對斷裂件進(jìn)行斷口、力學(xué)性能和顯微組織分析，并與完好件人工斷口比對分析等，查找斷裂原因。

2 分析過程及結(jié)果

2.1 斷口分析

對斷裂件進(jìn)行宏觀和微觀斷口分析，斷口形貌如圖1所示。

圖1 斷口形貌

圖1顯示了波形墊圈的斷裂特征。斷裂部位在墊圈中部，呈對半斷裂特征，斷口邊緣擦傷較為嚴(yán)重。裂紋源區(qū)位于墊圈表層，斷面較為粗糙，呈纖維狀特征。裂紋源區(qū)呈黑色疏松狀，能譜分析氧元素含量較高，擴(kuò)展區(qū)與瞬斷區(qū)主要以韌窩為主。

對該批未斷裂件墊圈進(jìn)行人工打斷，觀察其斷口形貌，如圖2所示。斷口均為韌窩特征，韌窩呈拉長形貌，表層無黑色疏松層。

圖2 人工打斷斷口形貌

2.2 力學(xué)性能驗(yàn)證

對斷裂件及完好件進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果見表1。斷裂件與完好件硬度值較為接近，僅相差9HV。

表1 維氏硬度試驗(yàn)結(jié)果 （HV）

對同批次完好件，依據(jù)墊圈技術(shù)條件要求進(jìn)行彈性試驗(yàn)，結(jié)果見表2。由表2可見，試驗(yàn)結(jié)果均符合技術(shù)條件要求。

表2 彈性試驗(yàn)結(jié)果

2.3 金相檢查

對斷裂件及完好件進(jìn)行金相檢驗(yàn)，具體結(jié)果如圖3所示。

圖3 顯微組織對比

由圖3可知，斷裂件與完好件組織相同，均為馬氏體+殘留奧氏體+沉淀相，未發(fā)現(xiàn)過熱、過燒等冶金缺陷。

2.4 完好件外觀觀察

對同批次剩余完好件進(jìn)行外觀觀察，24件中發(fā)現(xiàn)1件在變形波峰處存在微觀裂紋，說明該批墊圈表面存在原始裂紋，具體裂紋形貌如圖4所示。

圖4 完好墊圈裂紋形貌（45×）

3 分析與討論

通過對斷裂件斷口分析，斷口主要呈韌窩形貌，裂紋源位于表層，裂紋向內(nèi)部延伸；顯微組織為馬氏體+殘留奧氏體+沉淀相，未發(fā)現(xiàn)過熱、過燒現(xiàn)象；通過觀察同批完好件外觀形貌，發(fā)現(xiàn)24件中有1件存在裂紋，且裂紋延伸方向垂直于墊圈內(nèi)外圓。

波形彈性墊圈加工工藝流程為備料（冷軋態(tài)）→沖裁成形→熱處理→堿煮→滾光→表面處理→包裝，由于該墊圈原材料為冷軋態(tài)，0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼冷作硬化傾向大，在沖裁成形過程中，個(gè)別件在最大變形處（波峰或波谷）產(chǎn)生表面微裂紋，在熱處理過程中微裂紋表面被氧化。在裝配過程中裂紋受拉伸作用力而擴(kuò)展，裝配后受持久作用力，裂紋進(jìn)一步擴(kuò)展直至斷裂。

4 結(jié)論及建議

該批波形彈性墊圈，在安裝后檢查中發(fā)現(xiàn)斷裂：

1）斷裂形式為韌性過載斷裂。

2）由于原材料為冷軋態(tài)，強(qiáng)度較高，墊圈在沖裁成形時(shí)，在變形最大處（波峰或波谷）形成裂紋。

3）建議適當(dāng)降低原材料強(qiáng)度，并優(yōu)化墊圈沖裁工藝，合理設(shè)置彎折參數(shù)。