弹性圆柱销开裂失效分析

2020-03-04

理化检验(物理分册) 2020年2期

(中国空空导弹研究院，洛阳 471000)

65Mn弹簧钢强度高、淬透性好、脱碳倾向小、切削加工性好且价格低廉，常用来加工成各种小规格弹性件[1]。65Mn弹簧钢耐蚀性差，常在其加工成的零件表面进行电镀镉处理，然而在电镀、酸洗及放氢型腐蚀环境中均会产生氢，使电镀镉技术存在氢脆的隐患[2-3]。氢脆往往导致材料延迟性的脆性破坏，不易被发现，且一般为批次性问题，危害较大，在生产和使用过程中需引起足够重视。

某设备在维护过程中发现设备内的65Mn弹簧钢弹性圆柱销开裂失效，该弹性圆柱销的工艺流程为:落料→成型→热处理→探伤→表面电镀镉→检验。笔者对失效的弹性圆柱销进行了相关检验和分析，找出了失效圆柱销的开裂原因，并提出了相应的解决措施。

1 理化检验

1.1 宏观观察

通过体视显微镜对失效圆柱销进行观察，如图1所示。可见失效圆柱销的裂纹位于圆柱销开口正对面，沿弹性圆柱销轴向分布，裂纹呈连续而曲折的锯齿状，未见分叉。图1中上、下两件为未开裂的弹性圆柱销。

图1 失效圆柱销宏观形貌Fig.1 Macro morphology of the failure cylindrical pin

1.2 化学成分分析

在失效圆柱销上取样进行化学成分分析，分析结果见表1。结果表明失效圆柱销的化学成分符合GB/T 3279-2009《弹簧钢热轧钢板》对65Mn弹簧钢的成分要求。

表1 失效圆柱销的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of the failure cylindrical pin (mass fraction) %

1.3 硬度测试

在失效圆柱销上取样进行显微维氏硬度测试，测得硬度为523 HV0.5，工艺要求为420～560 HV0.5，可见失效圆柱销的硬度满足工艺要求。

1.4 金相检验

在失效圆柱销上取样进行金相检验，如图2所示，可见其显微组织主要为回火马氏体，未见条带状组织和脱碳现象。

图2 失效圆柱销在低倍和高倍下的显微组织形貌Fig.2 Microstructure morphology of the failure cylindrical pin at a) low and b) high magnificaiton

1.5 断口分析

失效圆柱销的外表面已裂开，内表面尚有连接，将内表面连接处人为打开，通过FEI Quanta 650型扫描电镜(SEM)对断口进行观察。断口SEM形貌如图3所示，可见裂纹起源于弹性圆柱销外侧亚表面，向内扩展。扩展区占整个断口的绝大部分，呈现沿晶的脆性断裂形貌，内表面连接区域占整个断口的比例很小，为人为撕裂的断口。整个断口表面未见明显的塑性变形，未见明显的冶金缺陷。

将裂纹源区进一步放大观察，如图4所示,可见裂纹源区断面干净，未见腐蚀产物。断口裂纹扩展区SEM形貌如图5所示，可见断口裂纹扩展区呈沿晶分离状，晶粒轮廓鲜明，晶面上可观察到变形线，为典型的氢脆微观断口。最后人为打开断口，如图6所示,可观察到细小的韧窝和断裂的镀镉层。

图3 断口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of the fracture

图4 裂纹源区SEM形貌Fig.4 SEM morphology of the crack source area

图5 裂纹扩展区SEM形貌Fig.5 SEM morphology of the crack growth area

图6 人为打开断口SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the artificial open fracture

1.6 氢质量分数测定

通过ONH2000型氧氮氢气体分析仪对3件失效圆柱销进行氢质量分数测定，氢质量分数分别为0.000 41%,0.000 55%,0.000 86%。

2 分析与讨论

失效圆柱销的化学成分满足GB/T 3279-2009要求，断面未见明显的塑性变形及冶金缺陷，初步排除过载断裂和原材料缺陷产生裂纹的可能。失效圆柱销的裂纹位于圆柱销开口正对面，沿弹性圆柱销轴向分布。有文献指出，带状组织对弹性圆柱销的性能影响很大，主要表现为各向异性，造成弹性圆柱销径向开裂[4]。但失效圆柱销显微组织为回火马氏体，未见带状组织，可排除带状组织造成弹性圆柱销开裂的可能。失效圆柱销的显微组织未见脱碳，排除脱碳导致圆柱销强度不足而开裂的可能。

失效圆柱销裂纹呈连续而曲折的锯齿状，未见分叉，这是氢脆裂纹的典型形貌。裂纹起源于圆柱销外侧亚表面，整个断面干净，未见腐蚀产物。裂纹扩展区占整个断口的绝大部分，微观断口呈冰糖状沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶面上可观察到变形线，为典型的氢脆断口微观形貌。

氢质量分数测定试验发现失效圆柱销含有0.000 41%～0.000 86%的氢。一般钢中氢质量分数为0.000 5%～0.001%时就会产生氢致裂纹[5]，但有文献表明，氢脆敏感性随钢铁材料强度的提高而急剧增加[6]。特别是当抗拉强度超过1 000 MPa后即使在氢质量分数较低的情况下材料也可能发生氢脆断裂。而失效圆柱销的显微维氏硬度换算成抗拉强度后达到1 749～1 781 MPa，对于如此高强度的钢而言，即使是0.000 41%的氢也完全可以造成氢脆开裂。结合裂纹宏观形貌、断口微观形貌、硬度、金相及氢质量分数判断失效圆柱销发生了氢脆开裂。

发生氢脆通常需要两个必要条件，一是必须有氢的发生源，二是对象金属需对氢敏感[7-8]。调查发现，因该批弹性圆柱销出厂检验时硬度偏低，故生产厂家对该批圆柱销增加了一次热处理。热处理前需先用稀盐酸退掉圆柱销表面发蓝层，然后退火→淬火→回火。热处理前退镀后厂家没有增加相应的除氢工序，未及时除氢，导致氢渗入圆柱销，这便是氢的来源。失效圆柱销的材料为65 Mn弹簧钢，该材料的强度很高，为氢脆敏感材料。本次失效满足氢脆发生的两个必要条件，在装配拉应力的作用下该圆柱销产生了径向氢脆开裂。