3Cr13不锈钢弹片断裂分析

2011-10-22王大为赵文侠

失效分析与预防 2011年4期

王祺，王大为，赵文侠，于洋

（1.北京航空材料研究院，中国航空工业集团公司失效分析中心，试金石检测技术有限公司，北京 100095；2.成都飞机工业（集团）有限责任公司，成都 610092）

0 引言

随着现代工业和科学技术的迅速发展，对不锈钢数量需求日益增加的同时，也对其使用性能提出了更高的要求。3Cr13型不锈钢系马氏体不锈耐热钢，在淬火、回火后使用具有较好的耐蚀性、热强性和冲击韧性。由于该钢种化学成分比较简单，冶炼方法多种多样，所以在全国范围内应用普遍，也是各大钢厂生产的不锈钢重点品种之一。由于3Cr13不锈钢含碳较高，热处理后可以获得较高的硬度，主要用于要求高硬度及耐磨性的弹簧、量具、刃具、医疗器械和餐具等［1］。

某3Cr13马氏体不锈钢所制弹片在工作306 min后返厂复试，复试测试试验中发生断裂。弹片在未油封的情况下存放，外部出现明显锈蚀；弹片的加工工序为：机加成型→热处理→表面钝化，其中热处理工艺为：1 000～1 050℃真空保温40～60 min后，油冷淬火，然后540±20℃真空回火，保温70～100 min；表面钝化工艺为50%（质量分数）HNO3化学钝化。由于此弹片处于发动机关键的进气口部位，若出现意外断裂，会导致严重后果。本研究通过对弹片进行宏观检查，断口微观观察、能谱分析及硬度检测等方法，以确定弹片断裂性质并查找其断裂原因，从而为此类故障的分析提供借鉴。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

失效件外侧4个方向分别安装有1个弹片，其中1个发生了断裂。弹片无明显变形，表面呈黑褐色（图1）。发生断裂的弹片断口颜色呈灰色，表面较平坦，一端有呈弧状的红褐色区域（图2）。

图1 失效件的宏观形貌Fig.1 Macro-morphology of failed part

图2 断口宏观形貌Fig.2 Macro-morphology of fracture surface

1.2 微观观察

利用日本电子JSM-5600扫描电子显微镜和牛津仪器INCA350能谱仪对失效弹片断口红褐色区域进行形貌观察和成分分析，断裂源区处于红褐色区域边缘中心（图3a箭头所指），源区外侧有明显的疲劳弧线特征（图3a）。源区呈沿晶开裂特征，且存在很多二次沿晶裂纹（图3b）。源区存在较多S元素（表1），扩展区中有准解理特征，瞬断区以沿晶断裂为主（图3c）。弹片侧面靠近断口一侧存在微裂纹和明显晶界，源区附近呈坑洞形貌（图3d）。

图3 断口形貌特征Fig.3 Morphology of the fracture surface

表1 X射线能谱分析结果（质量分数/%）Table 1 X-ray energy spectrum analysis results(mass fraction/%)

将失效弹片剩余部分用外力打开，观察发现整个断口均为沿晶断裂（图4）。

将2片未失效弹片外力断裂人工打断后观察发现，2个弹片的断口均呈沿晶加韧窝的混合断裂特征（图5）。两者比较表明，失效弹片脆性较大。

图4 失效件的断口形貌Fig.4 Morphology of man-made fracture of failed part

图5 未失效件的断口形貌Fig.5 Morphology of man-made fracture of intact part

1.3 硬度检测

从失效与未失效弹片切取样品，磨制抛光后，用Wilson Wolpert 401MVD型显微硬度计进行硬度检测，并进行维氏硬度转换，结果见表2。可以看出，两种弹片硬度差异明显，失效弹片硬度偏高。

表2 弹片显微硬度检测结果Table 2 Microhardness testing results of reeds/HRC

2 分析与讨论

从断口的宏、微观形貌看出，断口呈点源特征，具有疲劳弧线加准解理特征的扩展区和韧窝加沿晶开裂形貌的瞬断区，具有马氏体不锈钢典型的疲劳断裂特征。

由于源区有S元素存在，其形貌呈沿晶断裂特征，结合失效件在存放时已经出现锈蚀等现象，确定失效件断裂是应力腐蚀开裂造成的。

应力腐蚀是指零件在拉应力和特定的化学介质共同作用下所产生的低应力脆性断裂现象［2］。产生应力腐蚀，一般需要以下3个条件：1）存在一定的拉应力。该拉应力可能是冷/热加工、热处理、焊接或机械束缚引起的残余应力，也可能是使用条件下的外加应力或者是腐蚀产物引起的残余应力；2）纯金属不发生应力腐蚀破坏，但几乎所有的合金在特定（敏感）的腐蚀坏境中都会引起应力腐蚀裂纹，添加非常少的合金元素都可能使金属发生应力腐蚀；3）金属材料只有在特定的活性介质中才会发生应力腐蚀开裂，即要存在能引起金属发生应力腐蚀的介质，对于一定的金属材料而言，需要有一定特效作用的离子、分子或络合物才会导致构件的应力腐蚀开裂。

将从以下几点分析断口源区开裂的原因：

1）材质影响：弹片材料为3Cr13马氏体不锈钢，其受到S元素侵蚀影响产生大量的FeS2等硫化物导致不锈钢应力腐蚀开裂已有大量文献报道［3-6］；因此，3Cr13 马氏体不锈钢对 S 元素的应力腐蚀敏感性较高。

2）应力问题：弹片经机械加工而成，在加工过程中不可避免地会产生一定的残余应力；在与导气立柱进行装配时，为使气流能够从特定方向喷出，须将弹片以一定弯曲度固定在立柱两边的固定支点上，此时弹片会一直受到一个恒定的拉应力作用。

3）腐蚀条件问题：经能谱分析结果表明，断口源区有相当含量的S元素存在，说明材料受到了S和硫化物的侵蚀。由于弹片在未油封的情况下存放导致表面出现锈蚀，证明空气或环境中的S等腐蚀性介质被引入材料中。

弹片在使用过程中受到发动机的振动载荷和腐蚀介质的共同作用，使晶界弱化，韧性降低，脆性增大，并产生腐蚀坑洞，萌生沿晶裂纹，导致开裂源区的形成。源区裂纹产生后，在发动机振动载荷的作用下继续扩展，最终导致弹片疲劳断裂。