摘 要:某設(shè)備在維護過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的彈性圓柱銷開裂失效,通過宏觀觀察、化學(xué)成分分 析、硬度測試、金相檢驗、斷口分析、氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測定等方法對彈性圓柱銷的失效原因進行了分析. 結(jié)果表明:彈性圓柱銷在退鍍工序后沒有進行相應(yīng)的除氫工序,氫滲入了圓柱銷內(nèi)部,導(dǎo)致該彈性 圓柱銷發(fā)生氫脆失效.
關(guān)鍵詞:６５Mn彈簧鋼;彈性圓柱銷;退鍍;失效;氫脆
中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標(biāo)志碼:B 文章編號:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５８Ｇ０３
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(guī) 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(huán)境中均會產(chǎn)生氫,使電鍍鎘技術(shù)存在 氫脆的隱患[２Ｇ３].氫脆往往導(dǎo)致材料延遲性的脆性 破壞,不易被發(fā)現(xiàn),且一般為批次性問題,危害較大, 在生產(chǎn)和使用過程中需引起足夠重視.
某設(shè)備在維護過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)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(guān) 檢驗和分析,找出了失效圓柱銷的開裂原因,并提 出了相應(yīng)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(xù)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.
１．２ 化學(xué)成分分析
在失效圓柱銷上取樣進行化學(xué)成分分析,分析 結(jié)果見表１.結(jié)果表明失效圓柱銷的化學(xué)成分符合 GB/T３２７９－２００９«彈簧鋼熱軋鋼板»對６５Mn彈簧 鋼的成分要求.
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~ ５６０HV０．５,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(xiàn)象.
１．５ 斷口分析
失效圓柱 銷 的 外 表 面 已 裂 開,內(nèi) 表 面 尚 有 連 接,將內(nèi) 表 面 連 接 處 人 為 打 開,通 過 FEIQuanta 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(cè)亞 表 面,向 內(nèi) 擴 展.擴 展 區(qū) 占 整 個 斷 口 的絕大部分,呈現(xiàn)沿晶的脆性斷裂形貌,內(nèi)表面連接 區(qū)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(qū)進一步放大觀察,如圖４所示,可 見裂紋源 區(qū) 斷 面 干 凈,未 見 腐 蝕 產(chǎn) 物.斷 口 裂 紋 擴展區(qū) SEM 形貌如圖５所示,可見斷口裂紋擴展 區(qū)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(xì)小的韌窩和斷裂的 鍍鎘層.
１．６ 氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)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(zhì)量分?jǐn)?shù)測定,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 ０．０００４１％,０．０００５５％,０．０００８６％.
２ 分析與討論
失效 圓 柱 銷 的 化 學(xué) 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(chǎn)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(xiàn)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(dǎo)致圓柱銷強度不足而開裂的可能.
失效圓柱銷裂紋呈連續(xù)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(cè)亞表面,整個斷面干凈,未見腐蝕產(chǎn)物.裂紋 擴展區(qū)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(zhì) 量 分 數(shù) 測 定 試 驗 發(fā) 現(xiàn) 失 效 圓 柱 銷 含 有 ０．０００４１％~０．０００８６％的氫.一 般 鋼 中 氫 質(zhì) 量 分 數(shù)為０．０００５％~０．００１％時就會產(chǎn)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(dāng)抗拉強度超過１０００MPa后 即使在氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況下材料也可能發(fā)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１７４９~１７８１ MPa,對于如此高強度的 鋼而言,即使是０．０００４１％的氫也完全可以造成氫 脆開裂.結(jié)合裂紋宏觀形貌、斷口微觀形貌、硬度、 金相及 氫 質(zhì) 量 分 數(shù) 判 斷 失 效 圓 柱 銷 發(fā) 生 了 氫 脆 開裂.
發(fā)生氫脆通常需要兩個必要條件,一是必須有 氫的發(fā)生源,二是對象金屬需對氫敏感[７Ｇ８].調(diào)查發(fā) 現(xiàn),因該批彈性圓柱銷出廠檢驗時硬度偏低,故生產(chǎn) 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(fā)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(yīng)的除 氫工序,未及時除氫,導(dǎo)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(fā)生的兩個必要條件,在裝配拉應(yīng)力的作用下該 圓柱銷產(chǎn)生了徑向氫脆開裂.
３ 結(jié)論及建議
失效圓柱銷在退鍍工序后沒有進行相應(yīng)的除氫 工序,氫滲入了圓柱銷內(nèi)部,導(dǎo)致該彈性圓柱銷發(fā)生 氫脆失效.
建議后續(xù)生產(chǎn)中,在退鍍及其他產(chǎn)生析氫反應(yīng) 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(chǎn)生.
參考文獻:
[１] «中國航空材料手冊»編輯委員會．中國航空材料手 冊[M]．北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,２００２．
[２] 黃志濤,田文懷,蘇永安．普通碳素鋼滲氮后的氫脆 敏感性[J]．理化檢驗(物理分冊),２０１０,４６(７):４２３Ｇ ４２６．
[３] 劉強,林乃明,沙春鵬,等．鋼鐵材料電鍍鎘的研究現(xiàn) 狀[J]．表面技術(shù),２０１７,４６(１):１４６Ｇ１５７．
[４] 郭弘．６５Mn彈性圓柱銷徑向脆斷原因分析及改進措 施[J]．金屬加工(熱加工),２０１２,６３(１７):３９Ｇ４２．
[５] 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．
[６] LOIDL M, KOLK O, VEITH S, et al． Characterization of hydrogen embrittlement in automotive advanced high strength steels [J]． Materialwissenschaftund Werkstofftechnik,２０１１,４２ (１２):１１０５Ｇ１１１０．
[７] 陳旭,孟文華,顧 靜 青,等．SWRCH１５A(chǔ) 鋼 螺 釘 斷 裂 原因分 析 [J]．理 化 檢 驗 (物 理 分 冊),２０１６,５２(７): ５０７Ｇ５０９．
[８] 郭垚峰,周海生,王永明,等．電鍍高強度螺絲斷裂分 析[J]．材料研究與應(yīng)用,２０１６,１０(４):２７８Ｇ２８２．