沉淀硬化不銹鋼彈簧脆性斷裂原因

閆富華,李 偉,樊偉剛,張亞梅,張 躍

(慶安集團有限公司,西安 710077)

為提高產品的耐腐蝕性能,航空航天、船舶、核工業、汽車、機械等行業廣泛應用不銹鋼材料。隨著機械工業的發展,普通的不銹鋼已不能滿足強度需求,超高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼得到了研發和應用。一般采用表面鈍化的方式對強度較高的不銹鋼進行腐蝕防護處理。經鈍化后,不銹鋼表面生成復合膜,膜層至少有內、外兩層,內層富含Cr、Mo或Ni等元素,外層為富Fe層。表面鈍化工藝類型較多,采用不同鈍化工藝得到的鈍化膜結構和成分有所不同[1]。

超高強度馬氏體不銹鋼的強度較高,對氫脆敏感,材料的強度越高,氫脆敏感性越大[2-3],鋼的氫脆敏感性不僅與強度有關,還與組織中的第二相、晶粒度、微觀結構缺陷、合金元素等有關[4-5]。復合添加Nb、Ti、Cu等元素,并配合適當的熱處理,可使材料析出納米相,顯著提高材料的抗氫脆能力[6]。氫元素的擴散系數較小,材料的氫脆敏感性也較低[7],當材料的氫元素擴散系數較大時,高強度不銹鋼的零斷面收縮率對應的臨界氫元素含量可低至0.000 000 8%(質量分數)[8]。晶界、位錯、晶界上的第二相、板條束尺寸大的組織單元及應力集中區域等都易導致氫元素富集[9-11],并引發氫致開裂。鋼的氫脆敏感性還與材料脆性、零部件殘余應力等因素有關[12]。

某超高強度沉淀硬化不銹鋼彈簧在電鍍過程中發生氫脆斷裂。筆者采用一系列理化檢驗方法分析了彈簧斷裂的原因,以避免該類問題再次發生。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

彈簧斷口的宏觀形貌如圖1所示。由圖1可知:斷口由兩個明顯不同的區域組成,Ⅰ區斷口粗糙,目視可見許多反光的小刻面,有收斂于彈簧內徑表面的裂紋擴展棱線,呈線源特征,彈簧起裂區表面無劃傷等機械損傷;Ⅱ區斷口顏色發灰,可見源自Ⅰ區斷口的裂紋擴展棱線,斷口邊緣呈剪切唇特征。

圖1 彈簧斷口的宏觀形貌

1.2 氫元素含量測試

選取同批次原材料進行氫元素含量測試,試樣尺寸(直徑×長度,下同)為4 mm×5 mm。將原材料進行鈍化處理,并對鈍化后的試樣進行氫元素含量測試,鈍化后試樣尺寸分別為5 mm×5 mm(未去除表層)和4 mm×5 mm(去除表層)。接著對試樣進行除氫處理,并對除氫后的試樣進行氫元素含量測試,除氫后試樣的尺寸分別為5 mm×5 mm(未去除表層)和4 mm×5 mm(去除表層)。鈍化和除氫處理方法如表1所示,氫元素含量測試結果如表2所示。由表2可知:原材料中未檢測出氫元素,鈍化后和除氫后試樣中均可檢測到一定含量的氫元素,除氫后氫元素含量有所降低。

表1 鈍化和除氫處理方法

表2 氫元素含量測試結果

1.3 金相檢驗

在斷裂彈簧斷口附近截面上取金相試樣,采用光學顯微鏡對試樣進行觀察,結果如圖2所示。由圖2可知:彈簧無明顯脫碳現象,無過熱、過燒組織,試樣的顯微組織未見異常,組織均勻,裂紋沿晶擴展,擴展過程中裂紋出現樹枝狀分叉。

圖2 斷裂彈簧的顯微組織形貌

1.4 硬度測試

在斷口附近垂直鋼絲軸向的截面取樣,對試樣進行硬度測試,測試結果的平均值為50.4 HRC,滿足標準要求(≥47 HRC)。

1.5 掃描電鏡(SEM)及能譜分析

起裂部位斷口SEM形貌如圖3所示。由圖3可知:斷口可見收斂于邊緣的裂紋擴展棱線,未見明顯缺陷,斷口呈沿晶斷裂形貌,有二次裂紋,沿晶面上有較多的微觀顆粒相,少部分晶面呈雞爪痕特征,斷口無腐蝕形貌。

圖3 起裂部位斷口SEM形貌

彈簧斷口中部的SEM形貌如圖4所示。由圖4可知:斷口Ⅰ區為沿晶斷裂區,微觀形貌與起裂區附近基本一致,Ⅰ區和Ⅱ區之間沒有明顯的過渡區,無腐蝕等其他特征;Ⅱ區為韌窩斷裂區,斷口邊緣有剪切唇,為終斷區。

圖4 彈簧斷口中部的SEM形貌

斷口的能譜分析位置如圖5所示,分析結果如表3所示。由表3可知:斷口Ⅰ區和Ⅱ區的化學成分基本一致。

表3 斷口的能譜分析結果 %

圖5 斷口的能譜分析位置示意

2 綜合分析

由上述理化檢驗結果可知:彈簧宏觀斷口粗糙,有明顯的顏色分區,裂紋起裂于Ⅰ區彈簧表面,終斷于Ⅱ區彈簧表面。斷口Ⅰ區有裂紋擴展棱線,呈線源特征,裂紋源區未發現材料缺陷,微觀斷口呈沿晶斷裂形貌,為脆性開裂。斷口Ⅱ區呈韌窩斷裂形貌,終斷區有明顯的剪切唇形貌,為韌性過載斷裂。

斷口Ⅰ區和Ⅱ區的形貌特征存在差異,說明斷口Ⅰ區和Ⅱ區的斷裂機制不同。Ⅰ區裂紋較長,沿晶擴展,在擴展過程中出現明顯的分叉,裂紋頭部尖銳,斷口可見雞爪痕形貌特征,并無腐蝕形貌,Ⅰ區斷口符合氫致開裂特征。Ⅱ區是裂紋在Ⅰ區的基礎上擴展形成的,裂紋擴展過程中,彈簧承受載荷的實際截面積不斷減小,且裂紋前沿存在應力集中,當應力超過彈簧的強度極限后,彈簧會發生過載斷裂。

組織不均勻、成分偏析等情況均會導致材料在服役環境中發生斷裂。該彈簧表面無脫碳現象,彈簧的組織、化學成分未見異常,說明該彈簧的組織均勻、無合金元素偏析現象。Ⅰ區和Ⅱ區的化學成分基本一致、斷口銜接自然、無腐蝕等特征。說明該彈簧的強度、組織和化學成分不是導致彈簧Ⅰ區發生脆性開裂的主要原因,該彈簧可能在生產或使用過程中存在滲氫現象。

彈簧經表面鈍化處理后,材料中可檢測出少量的氫元素。經190 ℃,24 h除氫處理后,氫元素含量去除率約為23%,氫元素含量有所降低,但材料中仍殘留了一定量的氫元素。鈍化處理后,去除表層和未去除表層試樣的氫元素含量測試結果相差不大;除氫處理后,去除表層和未去除表層試樣的氫元素含量測試結果相差較大。說明除氫過程中,材料內部的氫元素向外擴散,除氫后,殘余的氫元素主要富集在材料表層。

彈簧在使用過程中一直處于受力狀態,彈簧內側鋼絲表面受到的應力較大,氫元素在應力作用下向高應力處聚集[8-10]。氫元素不斷富集在內側表層的晶界和晶界上第二相處,使晶界脆化,在應力作用下,彈簧內側表面萌生氫致脆性微裂紋。彈簧內部殘留了少量的氫元素,且微裂紋尖端存在應力集中,當裂紋尖端的應力強度超過氫脆起裂臨界值時,微裂紋進一步沿晶脆性擴展。裂紋越深,裂紋尖端對應力變化越敏感,當氫致裂紋擴展到一定深度后,彈簧工作應力瞬時變大,從而導致剩余截面發生過載斷裂。

3 結論及建議

超高強度馬氏體沉淀硬化不銹鋼彈簧在鈍化過程中存在滲氫現象,在應力作用下,彈簧內側萌生氫致脆性微裂紋,裂紋不斷擴展,最終導致彈簧發生過載斷裂。

建議適當提高除氫熱處理的溫度,并延長除氫時間,進一步去除材料中的氫元素。采用適當的熱處理工藝,降低材料的氫脆敏感性。