1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼螺栓脆性斷裂故障失效分析

李亞非，劉鳳坤，龍開琳，高 軍

（1.張家界航空工業(yè)職業(yè)技術學院，湖南 張家界 427000；2.貴陽職業(yè)技術學院，3.中國航發(fā)貴陽發(fā)動機設計研究所，貴陽 550081）

0 引言

1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼是仿制型低鉻不銹鋼，具有高的強度與韌性、良好的加工工藝性能與耐溫性能，以及低于550℃的較好的耐腐蝕性。由于綜合性能優(yōu)良，因而研發(fā)至今在飛機、發(fā)動機、燃氣輪機等諸多領域得到廣泛運用。早期型號航空發(fā)動機的壓氣機段（冷端）大量零件，含盤、壓氣機葉片等關鍵零件均選用該不銹鋼制造，現代先進燃氣渦輪發(fā)動機仍然采用該不銹鋼作為螺栓、螺釘等承力件使用。雖然中國航空發(fā)動機制造行業(yè)內的1Cr11Ni 2W2MoV不銹鋼的應用時間較長，但該材料零件失效故障仍然時有發(fā)生。其中，高溫回火脆性（第2類回火脆性）導致的零件失效占有很高比重。

近年，國內外專家學者針對馬氏體不銹鋼第2類回火脆性的形成原因與預防措施開展了大量研究工作，Ma等、黃春峰等認為第2類回火脆性存在的前提是存在As、Bi等雜質元素，上述雜質元素只有在晶界富集時，才會造成塑性損失。換言之，提高冶煉水平可有效避免第2類脆性的發(fā)生。另外，陳宗霖等、鐘培道等認為只要避開回火脆性溫度區(qū)間（590～660℃），并且快速通過該區(qū)間即可避免脆性，無需考慮冶煉水平。航空材料手冊與工藝標準規(guī)定其第2類回火脆性溫度區(qū)間為620～660℃，這與中國《航空制造工程手冊》和《航空材料手冊》中的給定范圍存在較大區(qū)別，猜測可能是由于各國對不銹鋼中各合金元素控制水平不同有關。綜合來看，1Cr11Ni2W2MoV等馬氏體不銹鋼回火脆性與鋼的冶煉方式、化學成分（尤其是S、P元素質量分數）、回火溫度、冷卻方式等多種因素有關。

本文綜合考慮原材料化學成分、零件熱處理工藝參數，結合故障件斷口形貌，提出1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼零件在熱處理過程中與第2類回火脆性相關的的影響因素，并采用熱處理工藝試驗進行驗證。

1 故障件組織檢查

1.1 斷口低倍檢查

某型航空發(fā)動機在整機裝配過程中發(fā)生MR6螺栓斷裂故障。經檢測，故障螺栓的化學成分符合標準要求，螺栓與標準化學成分對照結果見表1。

表1 螺栓與標準化學成分對照結果 wt%

故障螺栓斷口宏觀形貌如圖1所示。從圖中可見，整個斷面較為平齊，局部存在反光小刻面。在斷口邊緣可見大量的放射棱線，匯聚于斷口中心。在體視顯微鏡下觀察發(fā)現，斷面上分布較多的反光小平面，局部位置存在顆粒狀。整體斷面呈明顯的一次性大應力條件下的脆性斷口特征。

圖1 故障螺栓斷口宏觀形貌

螺栓裝配時承受預緊拉應力，在工作過程中承受剪切應力與振動應力。兼顧考慮強度與韌性，選用1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼（設計要求硬度HRC=25～35）。該不銹鋼螺栓的正常斷口組織應為大面積的纖維狀斷面+少量放射棱線，雖然不乏由于韌性不足而發(fā)生零件斷裂故障，但是如此的脆斷斷口仍屬于反常現象。

1.2 斷口顯微檢查

對于1Cr11Ni2W2MoV馬氏體不銹鋼而言，材質因素、熱處理過程、加載因素均可能造成宏觀斷口呈現脆性。為排查故障原因，對斷口進行顯微組織檢查。螺栓斷口掃描電子顯微鏡（Scanning Electron Microscope，SEM）形貌如圖2所示。

圖2 螺栓斷口低倍（＜200倍）SEM形貌

從圖中可見，螺栓斷裂的起始位置位于零件表面右上方，呈周向起裂。斷口起源區(qū)域所占總面積的比例很小。裂紋通過放射棱線從源區(qū)擴展穿過螺栓右方大部分區(qū)域而進入瞬斷區(qū)。瞬斷區(qū)所占面積比例與擴展區(qū)域的相當。螺栓左方邊緣為剪切唇。整個斷口呈扭轉斷裂脆性斷口特征。

分別對螺栓斷口的源區(qū)、擴展區(qū)與瞬斷區(qū)進行50倍和500倍的顯微檢查，SEM形貌如圖3所示。從斷裂源區(qū)的50倍SEM形貌來看，其塑性變形痕跡的撕裂棱特征明顯，在局部區(qū)域可見解理斷裂的河流花樣，整個區(qū)域分布拉拔形成“淺坑”。另外，隱約可見疑似結晶狀形貌。整個區(qū)域符合典型的準解理形貌特征。對該區(qū)進行能譜儀（Energy Dispersive Spectrometer，EDS）成分分析，發(fā)現Sb元素質量分數為0.01%、Sn元素質量分數為0.02%，存在有害元素富集的跡象。

圖3 螺栓斷口高倍（500倍）SEM形貌

擴展區(qū)50倍SEM形貌主要呈現為結晶形貌和解理臺階，無明顯可見的塑性變形痕跡。瞬斷區(qū)可見結晶+韌窩形貌。

進一步對源區(qū)、擴展區(qū)與瞬斷區(qū)進行500倍SEM檢查發(fā)現，3個區(qū)域中均存在明顯的“冰糖”狀結晶斷口形貌。這是沿晶斷裂的顯著特征，根據失效分析的經典理論，當存在液態(tài)金屬致脆（如鎘脆）、應力腐蝕疲勞、氫脆、回火脆性的情形時，方可出現沿晶斷裂特征。

對硬度HRC=25～35的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼螺栓而言，由于工作環(huán)境中無液態(tài)金屬與腐蝕介質，而該鋼種對氫脆不敏感，因此初步判斷回火脆性的可能性最大。

2 故障原因分析

2.1 工藝文件檢查

對螺栓生產廠家的熱處理工藝規(guī)程與材料標準GJB 2294-1994《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》和熱處理執(zhí)行標準HB/Z 80-1997《航空用不銹鋼與耐熱鋼熱處理說明書》進行對照，具體結果見表2。

表2 螺栓熱處理規(guī)程與標準參數對照結果

從表中可見，工藝規(guī)程規(guī)定的回火溫度640～660℃不符合材料標準與熱處理執(zhí)行標準的要求（實際執(zhí)行的回火溫度為640℃，冷卻方式為水冷）。根據文獻[2]可知，1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性處于630℃附近，一般而言應避免在600～660℃回火。從以往的使用經驗來看，在600～630℃回火均出現過沖擊韌性偏低，且均呈現不同比例的沿晶斷口的現象。可認定640℃回火溫度處于材料的回火脆性區(qū)，在該溫度下回火導致零件脆性傾向較大，最終造成在裝配過程中零件脆斷。

2.2 工藝驗證試驗

承制工廠按照640℃水冷的回火方式進行棒材入廠復驗，各項力學性能均合格。為正確評估該制度處理的產品的質量水平，有必要進行工藝驗證試驗。

熱處理驗證試驗方案及檢驗得到的拉伸、沖擊、硬度性能數據見表3。

表3 熱處理工藝試驗方案及結果

從表中可見：

（1）3種回火方式試樣的拉伸、硬度數值接近，均滿足標準要求；

（2）不同回火方式對沖擊數值以及沖擊斷口形貌影響較大，680℃回火試樣沖擊滿足標準（全韌性斷口），640℃空冷試樣沖擊未滿足標準（脆性斷口），640℃水冷介于二者之間。

工藝試驗沖擊試樣斷口SEM形貌如圖4所示。

圖4 工藝試驗沖擊試樣斷口SEM形貌

2.3 分析與討論

1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性一直是編制工藝規(guī)程時盡量避免的問題。但是，因對該材料性能了解不夠，導致回火脆性故障時有發(fā)生。工藝人員未嚴格依照標準編制工藝規(guī)程的原因大致為：（1）套用前蘇聯(lián)材料（牌號13Х11Н2Б2М）標準或工藝規(guī)程界的2～3個原子厚度的區(qū)域偏聚，從而導致晶界部位形成脆性相，最終形成回火脆性。對每種鋼鐵材料而言，其第2類回火脆性溫度區(qū)間不同，因此要求材料在回火過程中在該區(qū)間停留的時間應盡量縮短。

雜質元素是形成第2類回火脆性的“元兇”，因此，減小雜質元素質量分數有利于避免脆性發(fā)生。真空電弧重熔相對于電渣重熔而言，Sn、Sb元素的質量分數更小，因此采用真空電弧重熔工藝冶煉的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼棒無第2類回火脆性現象。另外，Mo、W元素可抑制第2類回火脆性，因此對于冶煉過程、成分控制均有所差別的1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼（前蘇聯(lián)、俄羅斯的該鋼材小規(guī)格棒材有雙真空冶煉工藝，中國尚無此工藝），不宜套用國外熱處理工藝。

通過工藝驗證試驗可知，在脆性溫度區(qū)間進行回火并快速冷卻，在一定程度上可以緩解回火脆性，使得沖擊性能滿足標準；但是無法根除回火脆性，沖擊試樣斷口仍然為脆性斷口。考慮到材料化學成分與熱處理工藝參數的波動性因素，編制熱處理工藝規(guī)程時應避免該溫度區(qū)間。參數；（2）設計給定硬度范圍處于脆性區(qū)間；（3）基于經驗認為脆性區(qū)間回火后快冷可消除脆性。

從馬氏體不銹鋼第2類回火脆性的形成原因來看，由于Ni、Cr、Sb、Sn、P等元素在高溫下向靠近晶

3 結論

（1）在裝配過程中折斷的1Cr11Ni2W2MoV鋼制螺栓斷口形貌為撕裂棱線、準解理+少量韌窩，斷面沿晶特征明顯，失效模式為一次性大應力脆斷；

（2）造成螺栓脆斷的原因在于熱處理的回火過程，選用的640℃回火溫度處于1Cr11Ni2W2MoV鋼的第2類回火脆性區(qū)間；

（3）在脆性區(qū)回火后快速冷卻可緩解材料脆性傾向，但無法根除斷口的沿晶特征，且沖擊測試值偏低；

（4）1Cr11Ni2W2MoV不銹鋼的第2類回火脆性受制于材料的化學成分與冶煉方法，與熱處理回火過程密切相關。為避免此類現象，應避免在600～660℃回火和長時停留。