51CrV4弹簧钢环箍断裂失效分析

张凯，王长朋，佘祖新，文邦伟，谭勇



51CrV4弹簧钢环箍断裂失效分析

张凯1,2，王长朋1,2，佘祖新1,2，文邦伟1,2，谭勇1,2

（1. 西南技术工程研究所，重庆 400039；2. 重庆市环境腐蚀与防护工程技术研究中心，重庆 400039）

研究51CrV4弹簧钢环箍出现断裂失效原因。通过化学成分分析、力学性能分析、断口扫描分析、显微组织分析及能谱分析测试手段，对51CrV4弹簧钢环箍的断裂模式及失效原因进行分析。长时间处于拉应力状态，致使51CrV4弹簧钢环箍内表面棱边萌生裂纹源；同时，在腐蚀介质和应力的协同作用下，S元素加速腐蚀进程，腐蚀产物积累，加快腐蚀微裂纹的扩展，最终导致应力腐蚀断裂失效的发生。通过合理的选材、结构设计和防护工艺，严格控制原材料成分，降低应力水平和环境严苛度，使应力腐蚀出现概率大大减小。

51CrV4；环箍；断裂；应力腐蚀

环箍/卡箍是一种常用的标准件，通常用作管件、线缆束等的固定或连接零件，广泛应用于航空、航天、汽车等领域。在使用过程中，受使用环境、自身制造缺陷以及过/欠装配等原因的影响，引起其发生应力腐蚀断裂失效，导致漏气、漏油等故障发生，影响产品运行安全[1-5]。环箍/卡箍的断裂机制包含三种：零件热成形工艺控制不到位，在大应变区域萌生裂纹，致使在装配使用过程中发生断裂；经镀锌处理的高强度钢制环箍/卡箍，在镀锌后若没有及时除氢或除氢不净，将导致氢脆断裂；使用过程中，在拉伸应力和腐蚀介质的共同作用下，导致应力腐蚀断裂。

常用结构钢、工具钢和弹簧钢三类钢材制作环箍/卡箍，而在反复使用或可靠性要求更高的场合，常采用工具钢和弹簧钢[6-7]。51CrV4弹簧钢具有良好的力学性能和工艺性能，淬透性较高。钒的加入可细化钢的晶粒，降低过热敏感性，提高钢的强度和韧性，具有高的疲劳强度和屈服比。

某公司生产的51CrV4弹簧环箍广泛应用于上海大众、奇瑞、一汽大众、长安铃木、长城汽车等的多种车型上，主要用于汽车输油管、消声器气流通道管的连接。该型环箍在使用过程中发生了断裂现象，为探究环箍断裂失效的根本原因，文中对该型环箍的失效件进行了失效分析[8]。

1 试验方法

环箍材质为51CrV4，其制造工艺为：落料—成型—下贝氏体盐浴等温淬火—清洗—检验—清理喷砂—表面达克罗处理（即片状锌基铬盐涂层）—检验—包装。技术要求：51CrV4硬度为（510～570）HV30。

利用ICP分析仪对环箍进行化学成分分析，采用WDW-5型拉伸试验机按照GB/T 228—2002 《金属材料室温拉伸试验方法》[9]进行力学性能测试，采用Quanta200环境扫描电镜对断口进行形貌扫描分析，采用Observer.A1m型倒置式金相显微镜进行金相组织分析。

2 试验结果

2.1 宏观分析

取一件失效环箍进行分析，宏观形貌如图1 所示。在使用过程中，A—D四个位置发生断裂，断裂位置附近无塑性变形，断口锈蚀严重，在断口附近的棱边处有锈斑。

2.2 化学成分分析

对环箍取样进行化学成分分析，结果见表1。实验结果表明，该环箍化学成分符合51CrV4标准成分要求。

表1 51CrV4弹簧钢环箍化学成分 %

2.3 力学性能分析

根据GB/T 4340.1—2009《金属材料维氏硬度试验第1部分：试验方法》[10]，对样品进行硬度检测，检测结果见表2。样品平均维氏硬度值为529（HV30），可见断裂环箍满足51CrV4技术要求。

表2 断裂环箍的硬度

2.4 金相组织分析

从断口和表面特征可以看出，A—D四个断口属于同一类型，任意选择一个断口切样进行分析。制样时内圆弧面为磨抛面，观察两侧面形态及金相组织。

1）根据GB/T 10561—2005《钢中非金属夹杂物含量的测定标准评级图显微检验法》[11]对样品进行非金属夹杂物评定，非金属夹杂物级别符合GB/T 1222—2007中非金属夹杂物的规范要求，非金属夹杂物评级金相照片如图2所示，评定结果见表3。

表3 非金属夹杂物评级结果

2）由图3可见，侧面有树枝状微裂纹，裂纹内填充满黑色腐蚀产物，裂纹两侧无非金属夹杂和脱碳现象。

3）根据GB/T 13299—1991《钢的显微组织评定方法》[12]评定样品的金相组织，样品表层和芯部金相组织均为：下贝氏体+弥散分布的细小碳化物，属51CrV4弹簧钢环箍正常组织，如图3c，d所示。

综上所述，源区附近没有非金属夹杂、脱碳等缺陷，金相组织满足标准要求，但有明显的裂纹，裂纹内填充满黑色腐蚀产物。

2.5 断口分析

将A—D四个断口切割、清洗后置于扫描电镜下进行断口形貌观察，结果如下所述。

1）A断口裂纹起始于内圆弧边缘的棱边处，呈放射状扩展，裂纹源处被腐蚀产物覆盖，看不到断口的真实形貌，如图4a，b所示。芯部断口为韧窝和解理的混合断裂，如图4c所示。圆弧内表层最后断裂区为撕裂细小韧窝，如图4d所示。

2）B断口裂纹起始位置特征与A断口基本一致，如图5a，b所示；裂纹源附近芯部断口为冰糖状沿晶脆性断口，如图5c所示；圆弧外表层最后断裂区为撕裂细小韧窝，如图5d所示。

3）C，D断口特征与B断口基本一致，如图6和图7所示。

4）A断口裂纹源附近表面有大量的腐蚀产物，且有平行于断面的横向微裂纹，如图8a所示；B断口附近有大量堆积的腐蚀产物，腐蚀产物有横向微裂纹，如图8b所示；C，D断口附近也有腐蚀产物，涂层有脱落现象，如图8c，d所示。

2.6 能谱分析

对四个样品断口棱边表面腐蚀产物进行能谱分析，以确定环箍断裂的原因。能谱结果显示，腐蚀产物中所含元素主要为O，Si，Fe，Zn和S，其元素质量百分比见表3—表6。样品棱边表面腐蚀产物中均存在大量S元素，S元素为活性元素，其对材料有较强的腐蚀作用。由于环箍长时间处于拉应力状态，在一定的腐蚀介质环境下，容易发生应力腐蚀现象。

表3 A断口腐蚀产物能谱分析 %

表4 B断口腐蚀产物能谱分析 %

表5 C断口腐蚀产物能谱分析 %

表6 D断口腐蚀产物能谱分析 %

3 分析与讨论

故障环箍位于汽车输油管连接处，在长期的使用过程中，由于密封及塑料导管的老化等原因，导致油气逸出。汽油的主要成分为H2S、硫醇、硫醚、苯硫酚和噻吩及其衍生物，致使环箍处于高含硫环境中，因此腐蚀介质来源于其使用环境。

通过对断裂51CrV4弹簧钢环箍在化学成分、力学性能、断口、金相及能谱几个方面的分析可知，环箍的断裂类型为应力腐蚀断裂，其承受的应力主要来自于环箍自身的箍紧力。同时，使用环境中含有H2S等腐蚀性强的硫化物，S元素为活性元素，对材料有较强的腐蚀作用，腐蚀产物中含有较高含量的硫，表明环境中的硫加速了环箍的腐蚀。断口及表面存在腐蚀现象，裂纹源处断口被腐蚀产物覆盖，裂纹源存在早期腐蚀裂纹，断口沿早期腐蚀裂纹起裂。A断口芯部为解理和韧窝的混合断裂，B，C，D断口裂纹源附近芯部为冰糖状沿晶脆性断裂，裂纹呈树枝状，内填充满腐蚀产物，两侧无非金属夹杂物和脱碳，为典型的应力腐蚀裂纹。

3.1 力学因素的影响

金属材料在应力和腐蚀介质的共同作用下，会促进应力腐蚀开裂裂纹的产生和扩展，最终导致材料发生应力腐蚀断裂失效[13]。造成应力腐蚀破坏的是静应力，远低于材料的屈服强度，而且一般是拉伸应力。拉应力来源主要包括：材料加工、装配等过程中产生的残余应力；使用环境中外加载荷造成的应力；非金属夹杂物、裂纹源中腐蚀产物等造成的应力。据相关研究表明，应力比、应力加载频率、应力加载方向等均对应力腐蚀开裂裂纹的萌生和扩展有很大影响。低应力比可促进应力腐蚀开裂裂纹的萌生。对于相同的应力幅值和最大应力，载荷作用周次相同时，低频率有利于应力腐蚀裂纹的萌生；载荷作用时间相同时，高频率有利于裂纹的萌生。垂直于拉-拉应力方向的外加横向载荷促进了裂纹的萌生和早期扩展。同时，应力的波动也是造成应力腐蚀开裂的重要影响因素[14-16]。

导致应力腐蚀开裂存在一个应力临界值，称为应力腐蚀开裂门槛值，用1SCC或临界应力th表示。一般认为当拉伸应力低于1SCC或th时，不再会发生断裂破坏。

3.2 硫元素的影响

硫元素作为有害元素，其来源既包含金属材料中的硫，也包含环境介质中的硫或硫化物。金属材料中的硫元素可以在冶炼过程中通过优化冶炼工艺得以控制，但使用环境介质中的硫或硫化物的影响仅能通过合理选材和改进防护工艺得以减轻。一方面，金属材料中硫元素与腐蚀介质中的水分和氧反应生成连多硫酸或亚硫酸，加速周围金属材料的腐蚀，随着腐蚀产物的堆积，应力增大，加速应力腐蚀裂纹的扩展。另一方面，环境中硫或硫化物的电离，使腐蚀介质呈酸性，加速钢的电化学腐蚀进程。同时，腐蚀介质中的[H]向钢内部扩散，导致钢氢脆和氢损伤的产生。在外加拉应力、残余应力等的协同作用下，加快了应力腐蚀裂纹的萌生、扩展，最终导致金属材料断裂失效[17]。

4 结论

51CrV4弹簧钢环箍的断裂性质为应力腐蚀断裂，在自身箍紧力的作用下，致使微裂纹形成。同时，在使用环境中腐蚀介质的的作用下，优先在裂纹源处发生腐蚀。最终，在应力和腐蚀介质的协同作用下，微裂纹不断扩展，导致应力腐蚀断裂。因此，鉴于51CrV4弹簧钢环箍的使用环境无法改变，为减少环箍的断裂失效问题，提出相关建议如下。

1）根据环箍产品的实际使用环境，合理选择环箍的材料、结构设计和防护工艺，降低应力水平和环境严苛度，从而提高环箍的耐应力腐蚀性能。

2）在保证环箍使用要求的箍紧力的前提下，尽量不要将卡箍拧得太紧，以减小卡箍的箍紧力。

3）制定相关企业标准，提高制造水平和装配质量等，降低材料残余应力和装配应力，并尽量避免材料加工时产生微裂纹。

通过相关企标的制定，采用合理的结构设计和防护工艺之后，应力腐蚀断裂发生概率大大减小，问题得到了有效解决。

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Fracture Failure of 51CrV4 Ring Band

ZHANG Kai, WANG Chang-peng, SHE Zu-xin, WEN Bang-wei, TAN Yong

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

To investigate the fracture reasons of 51CrV4 ring band.The fracture modes and the failure reasons of 51CrV4 ring band were analyzed by means of chemical composition analysis, mechanical performance analysis, SEM analysis, microstructure and energy dispersive spectrum analysis.In the tension stress state for a long time, the initiation cracks were formed at inner surface edge of the 51CrV4 ring band. At the same time, under the synergy of corrosive medium and stress, the corrosion process was accelerated by S, corrosion product was accumulated, and the expansion of corrosion microcracks was accelerated, the SCC failure was caused finally.The occurrence probability of SCC cracking could be greatly reduced by selecting material reasonably, improving the process design and protection technology, controlling raw material composition and reducing stress level and environmental severity.

51CrV4; ring band; fracture; SCC

TJ04

A

1672-9242(2018)03-0086-06

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.018

2017-10-05；

2017-11-23

张凯（1990—），男，四川乐山人，硕士，主要研究方向为腐蚀与防护。

王长朋（1985—），男，重庆人，硕士，工程师，主要研究方向为材料失效与分析。