锥裙锁表面疑似裂纹磁痕显示原因分析

曹 强 ， 姜 涛 ， 顾 伟 ， 高 晗

（1.国营芜湖机械厂，安徽 芜湖 241007；2.中国航发北京航空材料研究院，北京 100095；3.航空工业失效分析中心，北京 100095；4.航空材料检测与评价北京市重点实验室，北京 100095；5.材料检测与评价航空科技重点实验室，北京；6.中国航空发动机集团材料检测与评价重点实验室，北京 100095；7.国营海山机械厂，河北 石家庄 050208）

0 引言

锥裙锁是用于飞机雷达罩和机尾罩与机体连接重要紧固件，其可靠性直接影响飞机安全，一旦失效会导致雷达罩和机尾罩与机体脱落。因此，对锥裙锁异常磁痕显示原因进行深入研究十分必要。

飞机锥裙锁随飞机进厂修理磁粉检测时，多件表面出现线形磁痕显示，且大都集中在零件大圆弧表面（图1a），表面部分打磨后磁粉检查仍有磁痕显示。锥裙锁材料牌号为ZG0Cr14Ni5Mo2Cu，熔模铸造成型，热处理后σb为(1325±100) MPa，表面化学磷酸盐氧化和憎水处理。

图1 锥裙锁磁粉显示部位Fig.1 Agnetic powder display position of cone skirt lock

ZG0Cr14Ni5Mo2Cu 为沉淀硬化型马氏体高强度不锈钢，该钢具有良好的铸造性能、耐腐蚀性和焊接性能，主要用于飞机上需要耐腐、耐热、形状复杂、强度要求较高的零件[1-2]；但此类材料制件磁粉检测时，时常会出现数条非裂纹缺陷的干扰磁痕，使得磁痕显示性质难以判断，从而对无损检测的正确评价造成严重影响[3-4]。本研究针对已随机使用2000 h 以上且具有典型异常磁痕显示的锥裙锁，开展表面形态电镜观察、显示区剖面金相检查、组织微区成分能谱分析、材料硬度测试、XRD 相分析以及模拟热处理等试验，采用表面形态-组织特点-成分分布-磁性变化相结合的研究思路，探究出现异常磁痕显示的原因，为该类材料零件磁粉检测结果的正确评价提供依据和借鉴[5-7]。

1 试验过程与结果

1.1 宏观观察

锥裙锁表面呈银灰色，磁痕显示区域表面经过打磨变得光亮，未见腐蚀等异常损伤。在两处交角部位磁痕较集中分布。磁痕曲折、多条，大致在转角槽底沿纵向分布，其走向与表面打磨方向不同（图1b）。

1.2 微观观察

在扫描电镜下观察，锥裙锁表面较完整，未见明显沟槽、疏松等缺陷；表面虽可见打磨痕迹，但磁粉聚集区与打磨痕迹之间无明显对应关系。放大观察，除了肉眼可见的粗大磁痕外，锥裙锁表面还可见短小的细微磁痕，其走向接近（图2）。

1.3 金相组织检查

在锥裙锁上取磁痕显示区剖面及耳片表面进行组织观察。磨抛，并采用5 mL HCL+1 g 苦味酸+100 mL 乙醇溶液浸蚀后的典型低倍组织形貌见图3，所有截面上均可见组织不均匀现象，在锥裙锁表面存在不规则分布的白亮区。白亮区的尺度、形态各异：磁痕显示部位可见亮色弯曲条纹；耳片纵向试样白亮区面积更大，深度在数毫米；锥裙锁心部主要呈暗灰色。

对剖面的高倍金相组织进行观察，锥裙锁耳片宏观白亮区内：靠近表面部分完全白亮，未见组织特征，靠近心部隐约可见板条状组织，与心部暗灰色区组织形态相同，但浸蚀程度明显不同，晶界上局部可见暗灰色组织，白区的最表层局部也可见暗灰色板条组织（图4a）。磁痕显示区横剖面上，靠近表面白亮组织也增多，枝晶间白亮区更大、更连续，圆弧表面未见成片分布的白亮区（图4b）。锥裙锁心部主要为暗灰色板条组织，其间可见分布于枝晶间的白亮组织，呈不规则的块状、条状（图4c）。

图2 表面磁粉宏观分布及显示部位表面形态Fig.2 Macroscopic distribution of surface magnetic powder and surface morphology of display position

图3 锥裙锁各剖面低倍组织形态Fig.3 Low-magnification morphology of sections of cone skirt lock

图4 耳片金相组织Fig.4 Microstructure of ear piece

总体来看，锥裙锁组织以板条马氏体、残余奥氏体为主，宏观白亮区中应该大部分以残奥为主，表层、晶间存在板条马氏体；宏观暗灰色区主要以板条马氏体为主，枝晶间残余奥氏体较多。

1.4 微区成分分析

在锥裙锁金相试样上对白亮区和暗灰色区成分进行电子探针分析，结果见表1，两种组织区元素及含量符合该材料化学成分含量，未见明显差异。

1.5 硬度测试

使用Qness Q10A+硬度计在锥裙锁各截面上测试不同组织区的维氏硬度，结果见表2，可见白亮区硬度普遍低于暗灰色组织区，特别是表层大片白亮区的硬度相对更低。根据GB/T 1172—1999将硬度换算成抗拉强度，暗灰色区σb为1500 MPa左右，白亮区σb为890～1100 MPa，明显低于技术要求（σb为1225～1425 MPa）。

表1 锥裙锁不同组织区成分电子探针分析结果(质量分数 /%)Table 1 Electron probe analysis results of components of different structure areas of cone skirt lock (mass fraction /%)

表2 锥裙锁各截面组织区硬度测试结果(HV0.5)Table 2 Hardness test results of sections of cone skirt lock (HV0.5)

1.6 XRD 相分析

使用D8 ADVANCE X 射线衍射仪对锥裙锁的白亮区、暗灰色区组织结构进行分析，外侧白亮区奥氏体含量76.2%（体积分数，下同），心部暗灰色区奥氏体含量68.4%，可见锥裙锁各区域均有较多奥氏体组织，白亮区奥氏体更多，与金相观察结果相符。

1.7 热处理试验

为了分析残余应力可能产生的异常磁痕显示，试验将锥裙锁加热至700 ℃保温2 h 以消除残余应力对磁场的影响。试验经热处理消除应力后再次磁粉检测，异常磁痕未见明显改变，见图5，说明异常磁痕显示与残余应力无关。

为了分析热处理对锥裙锁中奥氏体组织的影响，将锥裙锁试样在580 ℃下保温8 h，空冷，制备金相试样进行组织变化情况观察。低倍组织见图6a，边缘白亮区颜色明显变暗，与心部暗灰色区颜色接近。耳片边缘原始白亮区内出现大量板条马氏体组织，残余奥氏体明显减少，心部组织变化不大（图6b、图6c）。

对热处理后的各区硬度进行测试，结果见表3，可见表层、心部不同组织区硬度接近，心部相比原始状态有所降低，白亮区明显升高，整体硬度变得均匀。根据GB/T 1172—1999 将硬度换算成抗拉强度，σb为1240 MPa 左右，符合技术要求（σb为1225～1425 MPa）。

2 分析与讨论

通过对锥裙锁外观、低高倍组织、硬度和微区成分及相结构的分析，可知：

图5 锥裙锁疑似裂纹消除应力前后对比Fig.5 Comparison of suspected cracks of cone skirt lock

图6 580 ℃时8 h 热处理后的组织变化Fig.6 Microstructure changes after heat treatment at 580 ℃ for 8 h

表3 580 ℃时8 h 热处理后的硬度变化(HV0.5)Table 3 Change in hardness after heat treatment at 580 ℃ for 8 h (HV0.5)

锥裙锁表面打磨区存在肉眼可见的磁痕显示，表面微观观察还存在细微的磁痕显示，磁痕呈不规则条状，走向接近。磁痕区表面未见明显损伤和表面缺陷，磁痕分布与表面打磨形态无对应关系；

锥裙锁不同部位剖面均可见宏观和微观组织不均匀现象。宏观不均匀主要体现在表面可见数毫米深度白亮组织区，其白亮区分布无明显规律，心部为暗灰色组织；微观不均匀主要体现在白亮区表层、晶界也可见板条组织，而心部板条组织区内可见明显的枝晶间白亮组织，枝晶间白亮组织大小不一，形状与磁痕接近。白亮区主要为大量残余奥氏体和板条马氏体，心部暗灰色主要为板条马氏体和枝晶间的残余奥氏体，表层白亮区硬度明显低于心部暗灰色区。

磁痕显示区近表面可见明显的枝晶间白亮组织，白亮区在锥裙锁表面露头，除此之外，未见表面其它缺陷。

磁痕显示过程一般为：当铁磁性材料被磁化时，如果材料表面或次表面存在某些缺陷或组织差异，那么这些缺陷或组织差异将破坏材料磁性的连续性，会形成磁极（N-S 极），这些缺陷或组织差异所在部位将产生漏磁场，从而导致磁粉吸附[8-9]。对于锥裙锁大量剖面的检查发现，磁痕显示区无明显表面缺陷，只是发现表面的组织形态有所差异，存在板条马氏体区和残余奥氏体区，奥氏体属于面心立方结构，是无磁性的[9]。残余奥氏体、碳化物均为顺磁相，相对磁导率约为1；马氏体为铁磁相，相对磁导率为102～104，两者磁性不同，会在磁粉检测中引起表面出现磁痕显示[10]。锥裙锁部分枝晶间的残奥含量更多，轮廓与粗大的磁痕接近，部分轮廓细小，可能引发微观磁痕显示，与涂文斌等研究结果一致[11]。

锥裙锁磁痕主要分布在头部多转角区，这可能是因为其他区域表面存在完整白亮奥氏体区，表面组织相对均匀，而头部表面宏观白亮区较少，微观组织差异更明显有关，而与疲劳损伤无关。一般铸钢上述组织特征的出现与合金元素Cr、Ni 和C、S、P 偏析有关，对锥裙锁微区进行的能谱和探针分析表明，白亮区相比正常马氏体区主要合金元素差异不大，因此判断，其组织变化可能与C、S、P 类元素偏析有关。

检查中发现，锥裙锁耳片区表面存在数毫米的白亮残余奥氏体区，该区硬度下降明显，换算强度远低于设计要求，对锥裙锁的安全性可能产生影响。580 ℃、8 h 热处理后，随着碳化物的析出，使得在冷却过程中大量奥氏体发生马氏体转变，使得残余奥氏体的数量逐渐减少，这符合相关研究的一般规律[12]。此时，锥裙锁白亮层内产生大量马氏体，整体组织变得接近，表层白亮区硬度升高、心部略下降，整体硬度均匀，换算强度基本符合技术要求，说明补充热处理对改善锥裙锁组织、性能有明显效果。

3 结论

1）锥裙锁磁痕显示区未见表面缺陷，铸钢的枝晶间存在较粗大条状分布的残余奥氏体组织，这种组织差异破坏了材料磁性的连续性，导致其表面出现磁痕显示。

2）锥裙锁宏微观组织不均匀，存在奥氏体富集区，其产生应该与C、S、P 类元素偏析有关。