上夾板斷裂原因分析

吳俊峰

(中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽441003)

0 引言

金屬材料在生產(chǎn)、加工過程中經(jīng)常會有氫滲入，使其產(chǎn)生氫脆。在生產(chǎn)中通常遇見的氫脆多由生產(chǎn)加工過程中氫滲入而除氫不夠或不徹底所導(dǎo)致，含氫量測定結(jié)果往往比較高(2×10－6～6×10－6);但在實(shí)際構(gòu)件中也有氫含量測定結(jié)果比較低(尤其在高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼構(gòu)件中)，甚至低于1×10－6，但從斷口及其他各方面綜合分析仍然具備氫脆特征，而應(yīng)該定性為氫脆的案例。某牌號為30CrMnSiNi2A的上夾板進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)，當(dāng)加載到220 kN時在夾板截面突變處R根部發(fā)生突然斷裂，斷裂夾板見圖1，試驗(yàn)加載方向如圖1中白色箭頭所示。夾板的設(shè)計(jì)強(qiáng)度是在加載到300 kN時不允許破壞。該上夾板主要制造工序?yàn)?熱鍛→正、回火→機(jī)加→熱處理→拋丸→表面處理(磷化)→噴漆。

通過對斷裂上夾板進(jìn)行綜合分析，找出失效原因，并為同類故障的發(fā)生提供借鑒。

圖1 上夾板斷裂部位Fig.1 Fracture position of upper batten

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 斷口宏觀觀察

夾板在截面突變R連接處斷裂(圖1)。斷口宏觀較為平齊，無明顯塑性變形，斷面與主應(yīng)力方向垂直，為脆性斷口，可見明顯放射棱線，為解理斷裂，出現(xiàn)線性多源特征，斷裂源在夾板表面，如圖2中白色箭頭所示，粗大棱線收斂方向?yàn)榱鸭y源萌生區(qū)，即裂源。斷口干凈新鮮，源區(qū)為亮灰色結(jié)晶顆粒狀，為新斷口，屬于一次性斷裂，宏觀未見夾雜等其他肉眼可見冶金缺陷。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of the fracture surface

1.2 斷口微觀觀察

斷口源區(qū)典型形貌見圖3。裂源見圖3黑色箭頭所指，可見棱線由裂源向內(nèi)擴(kuò)展放射。在源區(qū)邊緣未見機(jī)加傷痕和夾雜等冶金缺陷。斷口干凈無附著物，在掃描電鏡下觀察，源區(qū)為沿晶分離特征(圖4)，晶粒輪廓鮮明，呈冰糖狀，晶界面上伴有變形線，出現(xiàn)撕裂棱，擴(kuò)展區(qū)在沿晶斷口上可見細(xì)小韌窩(圖5)，最后瞬斷區(qū)為韌窩(圖6)。

圖3 源區(qū)形貌Fig.3 Appearance of source zone

1.3 顯微組織檢查

上夾板顯微組織形貌見圖7，為均勻回火馬氏體+少量鐵素體，無過熱現(xiàn)象，為正常組織。

1.4 硬度檢驗(yàn)

對夾板進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果為 47.5～49 HRC，符合45～50 HRC的設(shè)計(jì)要求。

圖4 源區(qū)沿晶斷口形貌Fig.4 Intergranular fracture feature at the source zone

圖5 擴(kuò)展區(qū)沿晶+韌窩斷口形貌Fig.5 Dimples and intergranular fracture feature at propagation region

圖6 瞬斷區(qū)斷口韌窩形貌Fig.6 Dimples at final rupture zone

圖7 上夾板的顯微組織Fig.7 Microstructure of the upper batten

1.5 氫含量測定

對夾板進(jìn)行氫含量測定其結(jié)果為1×10－6。

1.6 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析結(jié)果見表1，其結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)值要求。

2 分析與討論

夾板在截面突變R連接處斷裂，斷口宏觀較為平齊，無明顯塑性變形，放射棱線明顯，斷口源區(qū)為沿晶分離，擴(kuò)展區(qū)在沿晶斷口上可見韌窩，最后瞬斷區(qū)為韌窩，這些均表明夾板為脆性斷裂。

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

化學(xué)成分分析結(jié)果符合標(biāo)準(zhǔn)要求。金相顯微組織為均勻回火馬氏體+少量鐵素體，為正常組織，因此夾板熱處理工藝不存在問題。

斷口出現(xiàn)沿晶斷裂特征通常可能由4種因素所致［1］:1)存在過熱、過燒組織;2)應(yīng)力腐蝕;3)回火脆;4)氫脆。

夾板金相組織為正常的回火馬氏體，無過熱與過燒的粗大組織和晶粒出現(xiàn)(圖7)，所以過熱過燒導(dǎo)致沿晶現(xiàn)象可以排除;斷面干凈新鮮無分叉裂紋，無腐蝕產(chǎn)物、泥紋花樣，晶粒輪廓分明但晶界并不圓滑(圖4、圖5)，故應(yīng)力腐蝕造成夾板斷裂失效的可能性可以排除;按照文獻(xiàn)［2］在斷口附近取樣磨拋后用顯示回火脆的腐蝕劑:苦味酸10 g+二甲苯100 ml+乙醇10 ml腐蝕、拋光，腐蝕后未見回火脆性特征的黑色網(wǎng)狀現(xiàn)象出現(xiàn)［2］，故回火脆性的可能性也可以排除。

斷面沿奧氏體晶界分離開裂，晶粒輪廓分明，呈冰糖狀，屬于沿晶脆性斷裂，晶界顯微裂紋無分叉，是氫脆斷裂的微觀特征之一［3］。

通常一般鋼中的含氫量在(5～10)×10－6以上時會產(chǎn)生氫致裂紋，但對于高強(qiáng)度鋼，即使鋼中含氫量小于1×10－6，由于應(yīng)力的作用，處在點(diǎn)陣間隙中的氫原子會通過擴(kuò)散集中于缺口所產(chǎn)生的應(yīng)力集中處，氫原子與位錯的交互作用使位錯線被釘扎不能自由活動，從而使基體變脆［4］。

一般具有如下3個特征均為氫脆斷裂［3］:1)宏觀斷口表面潔凈，無腐蝕產(chǎn)物，斷口平齊，有放射花樣;2)微觀斷口沿晶分離晶粒輪廓鮮明晶界面上伴有變形線，二次裂紋少，撕裂棱或韌窩較多;3)工作應(yīng)力主要是靜拉應(yīng)力，特別是三向靜拉應(yīng)力。該夾板斷口干凈無附著物，源區(qū)沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，呈冰糖狀，晶界面上伴有變形線，出現(xiàn)撕裂棱;從夾板斷裂的部位來看:斷裂在夾板截面突變根部，為應(yīng)力集中最大部位。

文獻(xiàn)［4］中甲烷高壓理論能較好地解釋氫脆的產(chǎn)生原因:氫(H2、H、H+)奪取鋼中的碳生成甲烷，氫分子和甲烷分子的體積比氫原子大得多，形成后被封閉在鋼材的微縫隙中，逐漸形成高壓，高壓作用使微隙壁萌生裂源至發(fā)展成裂紋，最終鋼的力學(xué)性能下降導(dǎo)致構(gòu)件喪失承載能力。其反應(yīng)式為:

從夾板生產(chǎn)工序看只有在磷化過程中有可能出現(xiàn)氫的滲入。磷化是金屬表面與含磷酸二氫鹽的酸性溶液接觸，發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，而在金屬表面生成穩(wěn)定的不溶性的無機(jī)化合物膜層的一種表面的化學(xué)處理方法，形成磷化膜，夾板浸入磷化液中時，先與磷化液中的磷酸作用，生成一代磷酸鐵，并有大量的H2析出，其反應(yīng)式為:

析出的H滲入夾板，如不及時進(jìn)行除氫處理便會使夾板產(chǎn)生氫脆。

查閱生產(chǎn)記錄得知，該夾板在磷化處理后并未進(jìn)行除氫處理。重新投入試驗(yàn)件補(bǔ)充除氫處理工序后在進(jìn)行拉力試驗(yàn)，加載到310 kN時也未見破壞，這證實(shí)了夾板的確是由于磷化處理后未進(jìn)行除氫處理而導(dǎo)致夾板表面吸氫至脆。

30CrMnSiNi2A屬于高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼，因此，只要有H滲入，即使含量不高也會使脆性增加。文獻(xiàn)［5］認(rèn)為氫脆裂紋源的萌生與應(yīng)力有關(guān)，裂紋源在應(yīng)力和氫交互作用下逐步形成。影響氫脆斷裂的主要與氫濃度、夾板強(qiáng)度和夾板所受應(yīng)力大小有關(guān)，當(dāng)氫含量較低應(yīng)力較大時一般可見沿晶韌窩混合特征。

因此，夾板是在磷化處理后未進(jìn)行除氫處理，在進(jìn)行強(qiáng)度試驗(yàn)時由于氫脆而斷裂。

3 結(jié)論

1)夾板斷裂性質(zhì)為脆性斷裂;

2)夾板的斷裂與材質(zhì)、機(jī)械加工和熱處理工藝無關(guān);

3)夾板斷裂原因?yàn)闅渲麓嘈詳嗔选?/p>

［1］劉昌奎，臧金鑫，張兵.30CrMnSiA螺栓斷裂原因分析［J］.失效分析與預(yù)防，2008，2(3):43 －47.

［2］《金相分析》編寫組.金相分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1982:246－248.

［3］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:201－204.

［4］廖景娛.金屬構(gòu)件失效分析［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:98.

［5］劉高遠(yuǎn)，姜濤，趙衛(wèi)國，等.兩種夾板不同條件下氫脆斷裂分析［J］.材料工程，2003(增刊):118－120.