彈性圓柱銷開裂失效分析

(中國空空導彈研究院， 洛陽 471000)

65Mn彈簧鋼強度高、淬透性好、脫碳傾向小、切削加工性好且價格低廉，常用來加工成各種小規格彈性件[1]。65Mn彈簧鋼耐蝕性差，常在其加工成的零件表面進行電鍍鎘處理，然而在電鍍、酸洗及放氫型腐蝕環境中均會產生氫，使電鍍鎘技術存在氫脆的隱患[2-3]。氫脆往往導致材料延遲性的脆性破壞，不易被發現，且一般為批次性問題，危害較大，在生產和使用過程中需引起足夠重視。

某設備在維護過程中發現設備內的65Mn彈簧鋼彈性圓柱銷開裂失效，該彈性圓柱銷的工藝流程為:落料→成型→熱處理→探傷→表面電鍍鎘→檢驗。筆者對失效的彈性圓柱銷進行了相關檢驗和分析，找出了失效圓柱銷的開裂原因，并提出了相應的解決措施。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

通過體視顯微鏡對失效圓柱銷進行觀察，如圖1所示。可見失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對面，沿彈性圓柱銷軸向分布，裂紋呈連續而曲折的鋸齒狀，未見分叉。圖1中上、下兩件為未開裂的彈性圓柱銷。

圖1 失效圓柱銷宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the failure cylindrical pin

1.2 化學成分分析

在失效圓柱銷上取樣進行化學成分分析，分析結果見表1。結果表明失效圓柱銷的化學成分符合GB/T 3279-2009《彈簧鋼熱軋鋼板》對65Mn彈簧鋼的成分要求。

表1 失效圓柱銷的化學成分(質量分數)Tab.1 Chemical compositions of the failure cylindrical pin (mass fraction) %

1.3 硬度測試

在失效圓柱銷上取樣進行顯微維氏硬度測試，測得硬度為523 HV0.5，工藝要求為420～560 HV0.5，可見失效圓柱銷的硬度滿足工藝要求。

1.4 金相檢驗

在失效圓柱銷上取樣進行金相檢驗，如圖2所示，可見其顯微組織主要為回火馬氏體，未見條帶狀組織和脫碳現象。

圖2 失效圓柱銷在低倍和高倍下的顯微組織形貌Fig.2 Microstructure morphology of the failure cylindrical pin at a) low and b) high magnificaiton

1.5 斷口分析

失效圓柱銷的外表面已裂開，內表面尚有連接，將內表面連接處人為打開，通過FEI Quanta 650型掃描電鏡(SEM)對斷口進行觀察。斷口SEM形貌如圖3所示，可見裂紋起源于彈性圓柱銷外側亞表面，向內擴展。擴展區占整個斷口的絕大部分，呈現沿晶的脆性斷裂形貌，內表面連接區域占整個斷口的比例很小，為人為撕裂的斷口。整個斷口表面未見明顯的塑性變形，未見明顯的冶金缺陷。

將裂紋源區進一步放大觀察，如圖4所示,可見裂紋源區斷面干凈，未見腐蝕產物。斷口裂紋擴展區SEM形貌如圖5所示，可見斷口裂紋擴展區呈沿晶分離狀，晶粒輪廓鮮明，晶面上可觀察到變形線，為典型的氫脆微觀斷口。最后人為打開斷口，如圖6所示,可觀察到細小的韌窩和斷裂的鍍鎘層。

圖3 斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

圖4 裂紋源區SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

圖5 裂紋擴展區SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack growth area

圖6 人為打開斷口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the artificial open fracture

1.6 氫質量分數測定

通過ONH2000型氧氮氫氣體分析儀對3件失效圓柱銷進行氫質量分數測定，氫質量分數分別為0.000 41%,0.000 55%,0.000 86%。

2 分析與討論

失效圓柱銷的化學成分滿足GB/T 3279-2009要求，斷面未見明顯的塑性變形及冶金缺陷，初步排除過載斷裂和原材料缺陷產生裂紋的可能。失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對面，沿彈性圓柱銷軸向分布。有文獻指出，帶狀組織對彈性圓柱銷的性能影響很大，主要表現為各向異性，造成彈性圓柱銷徑向開裂[4]。但失效圓柱銷顯微組織為回火馬氏體，未見帶狀組織，可排除帶狀組織造成彈性圓柱銷開裂的可能。失效圓柱銷的顯微組織未見脫碳，排除脫碳導致圓柱銷強度不足而開裂的可能。

失效圓柱銷裂紋呈連續而曲折的鋸齒狀，未見分叉，這是氫脆裂紋的典型形貌。裂紋起源于圓柱銷外側亞表面，整個斷面干凈，未見腐蝕產物。裂紋擴展區占整個斷口的絕大部分，微觀斷口呈冰糖狀沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，晶面上可觀察到變形線，為典型的氫脆斷口微觀形貌。

氫質量分數測定試驗發現失效圓柱銷含有0.000 41%～0.000 86%的氫。一般鋼中氫質量分數為0.000 5%～0.001%時就會產生氫致裂紋[5]，但有文獻表明，氫脆敏感性隨鋼鐵材料強度的提高而急劇增加[6]。特別是當抗拉強度超過1 000 MPa后即使在氫質量分數較低的情況下材料也可能發生氫脆斷裂。而失效圓柱銷的顯微維氏硬度換算成抗拉強度后達到1 749～1 781 MPa，對于如此高強度的鋼而言，即使是0.000 41%的氫也完全可以造成氫脆開裂。結合裂紋宏觀形貌、斷口微觀形貌、硬度、金相及氫質量分數判斷失效圓柱銷發生了氫脆開裂。

發生氫脆通常需要兩個必要條件，一是必須有氫的發生源，二是對象金屬需對氫敏感[7-8]。調查發現，因該批彈性圓柱銷出廠檢驗時硬度偏低，故生產廠家對該批圓柱銷增加了一次熱處理。熱處理前需先用稀鹽酸退掉圓柱銷表面發藍層，然后退火→淬火→回火。熱處理前退鍍后廠家沒有增加相應的除氫工序，未及時除氫，導致氫滲入圓柱銷，這便是氫的來源。失效圓柱銷的材料為65 Mn彈簧鋼，該材料的強度很高，為氫脆敏感材料。本次失效滿足氫脆發生的兩個必要條件，在裝配拉應力的作用下該圓柱銷產生了徑向氫脆開裂。

3 結論及建議

失效圓柱銷在退鍍工序后沒有進行相應的除氫工序，氫滲入了圓柱銷內部，導致該彈性圓柱銷發生氫脆失效。

建議后續生產中，在退鍍及其他產生析氫反應的工序后增加除氫工序，以及時除去材料中的氫，避免氫脆的產生。