脆性斷裂典型案例:低合金超高強度鋼30CrMnSiNi2A斷裂分析
30CrMnSiNi2A是廣泛應(yīng)用于我國航空航天制造的低合金超高強度鋼,是一種綜合性能優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎(chǔ)上提高了錳和鉻含量,并添加了1.4%~1.8%的鎳(質(zhì)量分數(shù)),使其淬透性得到明顯提高[1]。經(jīng)過熱處理后可獲得高的強度、塑性和韌性,良好的抗疲勞性和斷裂韌度,低的裂紋擴展速率,因而適合制造高強度的連接件、軸類零件以及起落架等重要受力結(jié)構(gòu)件。但30CrMnSiNi2A鋼等溫熱處理制度較為嚴苛,不合理的熱處理制度無法發(fā)揮材料性能,在使用過程中容易發(fā)生脆性斷裂。某型號固體火箭發(fā)動機燃燒室殼體尾端采用法蘭連接結(jié)構(gòu)連接后封頭,該燃燒室殼體進行水壓爆破試驗時,升壓至16MPa時(設(shè)計要求爆破壓力≥17.4MPa),首個螺釘從第一扣螺紋處發(fā)生斷裂,繼續(xù)升壓至16.6MPa時,所有螺釘斷裂,燃燒室殼體后封頭脫落,連接失效(見圖1)。
圖1 水壓失效斷裂螺釘殘骸
該發(fā)動機燃燒室殼體,螺釘材料為30CrMnSiNi2A鋼,規(guī)格為M10×1,工藝過程為:原材料復(fù)驗→粗加工→半精加工→精加工成形→等溫淬火→無損檢測→表面達克羅處理。加工過程中無涉氫環(huán)節(jié)。設(shè)計要求常溫下抗拉強度為1550MPa。本文對斷裂螺釘及同批次生產(chǎn)的螺釘進行了失效仿真、拉伸和沖擊試驗,并對斷裂螺釘斷口及拉伸、沖擊試樣斷口進行檢測和分析,對螺釘金相組織進行了檢測及分析。綜合以上試驗及測試結(jié)果確定了螺釘斷裂性質(zhì),明確了螺釘斷裂原因。對法蘭連接結(jié)構(gòu)進行仿真驗證,建立模型對法蘭連接結(jié)構(gòu)進行分析和計算,計算出螺釘在16MPa內(nèi)壓載荷下螺釘受力情況。由應(yīng)力云圖(見圖2)可以看出,螺釘最大等效應(yīng)力為1534MPa,出現(xiàn)位置為第一扣螺紋底部,在塑性應(yīng)變云圖(見圖3)中,最大塑性應(yīng)變?yōu)?.6%,綜合以上兩個結(jié)果,螺釘在承力時,第一扣應(yīng)力最大,但是應(yīng)力主要集中在螺釘表面,螺釘心部應(yīng)力較小,為發(fā)生塑性應(yīng)變。
圖2 螺釘?shù)刃?yīng)力云圖
圖3 螺釘塑性應(yīng)變云圖
從安全系數(shù)云圖(見圖4)中可以得出,螺釘大部分結(jié)構(gòu)安全系數(shù)高于3,第一扣螺紋附件安全系數(shù)在1~1.7,螺釘連接可靠,結(jié)構(gòu)設(shè)計合理。水壓失效螺釘實際斷裂模型與仿真結(jié)果導(dǎo)向一致,起始斷裂位置在螺釘?shù)谝豢勐菁y處。
圖4 螺釘安全系數(shù)云圖
螺釘斷裂位于第一扣螺紋處。螺釘斷裂宏觀特性觀察:斷口呈暗灰色,斷口平齊,斷面可見放射性棱線,棱線聚集的一端為裂紋的起點處,斷口附近無明顯塑性變形(見圖5)。
圖5 螺釘斷口宏觀照片
采用掃描電鏡對斷口進行微觀觀察,如圖6所示。通過對螺釘斷口微觀觀察,能夠看出,螺釘斷面出現(xiàn)大量高密度短而彎曲的撕裂棱線,高倍照片中能夠看到大量的小平面及二次裂紋,可以判斷斷口為準解理斷口[2]。掃描斷口未發(fā)現(xiàn)明顯“雞爪痕”,且螺釘加工過程無涉氫環(huán)節(jié),氫脆可能性較小。
圖6 螺釘斷口微觀照片
對加工完成的螺釘及同爐拉伸試樣進行了單軸拉伸和沖擊試驗,單軸拉伸試驗測量了螺釘最大軸向拉力及材料抗拉強度和伸長率,沖擊試驗測量了材料韌性性能。最終試驗測試結(jié)果表明,螺釘抗拉強度及伸長率滿足標準要求,沖擊吸收能量低于標準要求,材料性能按照標準QJ 2142—1991《超高強度鋼的熱處理》執(zhí)行,測試結(jié)果見表1~表3。表1 螺釘最大拉力結(jié)果
表2 試驗單軸拉伸試樣結(jié)果
表3 沖擊吸收能量結(jié)果
對發(fā)生斷裂的螺釘和單軸拉伸后的螺釘進行了材料金相分析。通過對結(jié)果照片觀察能夠看出,斷裂螺釘組織以板條狀馬氏體為主,相界上析出大量碳化物,如圖7所示。
圖7 螺釘斷口微觀照片
采用顯微鏡對失效螺釘同批產(chǎn)品螺紋進行了放大,并進行了測繪,計算了螺釘?shù)难佬谓呛吐菁y底徑,結(jié)果見表4。表4 螺紋結(jié)構(gòu)尺寸檢測
圖8 螺紋牙形
螺紋采用專用通止規(guī)檢測,生產(chǎn)過程中未辦理不合格品審理單。螺釘熱處理工藝制度為:900℃保溫40min;等溫淬火210℃保溫15min;補充回火300℃保溫60min,空冷。通過對螺釘斷口、金相及性能測試分析能夠看出,螺釘熱處理工藝制度不合理,等溫淬火時間短,馬氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變不充分,補充回火過程中可能存在控溫超溫現(xiàn)象,相界上析出大量碳化物,最終導(dǎo)致螺釘材料韌性降低,未能滿足標準要求。針對上述原因,在重新校核爐溫的基礎(chǔ)上,對螺釘熱處理工藝制度進行了調(diào)整。調(diào)整后的熱處理制度如下:900℃保溫10min;等溫淬火300～330℃保溫60min。熱處理制度調(diào)整后對螺釘材料進行了沖擊測試,結(jié)果見表5。表5 沖擊吸收能量結(jié)果
通過調(diào)整熱處理工藝制度,延長等溫淬火保溫時間,增強馬氏體向下貝氏體的轉(zhuǎn)變,能夠明顯看出沖擊吸收能量提高。將熱處理工藝制度改進后生產(chǎn)的螺釘安裝在燃燒室殼體上,重新進行了水壓爆破試驗,按照正常狀態(tài)裝配后。水壓升壓至16MPa、保壓45s后,持續(xù)升壓至殼體爆破。殼體爆破后,螺釘無斷裂或松動等情況,滿足使用要求。從螺釘斷口宏觀觀察結(jié)果來看,根據(jù)文獻[2]中關(guān)于脆性斷口的特征,該螺釘斷口附近無明顯塑性變形,斷口比較平齊,放射性花樣。斷口微觀觀察結(jié)果表明,斷口表面大量分布短而彎曲的棱線,小平面的應(yīng)力集中,沖擊吸收能量低于標準要求,金相檢測表明在相界上有大量碳化物析出。根據(jù)文獻中對脆性斷裂特征的描述,水壓爆破試驗中斷裂的螺釘為脆性斷裂。零件發(fā)生脆性斷裂的原因可分為內(nèi)部原因和外部原因。①體心立方結(jié)構(gòu)金屬具有較差的塑性,容易發(fā)生脆性斷裂。③材料加工過程引起內(nèi)部組織變化,如有害元素的偏聚、脆性相的析出,以及回火脆性過熱過燒等。④晶粒度對材料脆性也有重大影響,晶粒粗大會導(dǎo)致材料韌性下降[3]。①零件受力。當零件上存在應(yīng)力集中時,往往會導(dǎo)致局部材料超過應(yīng)力極限,發(fā)生脆性斷裂。②使用溫度是重要條件。當使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時,材料會發(fā)生脆性斷裂。③應(yīng)變率的影響。當材料應(yīng)變率提高時,滑移難以進行,材料會發(fā)生脆性斷裂。④潮濕、熔鹽、腐蝕性介質(zhì)環(huán)境都可能引起脆性斷裂。根據(jù)電子顯微鏡和斷口宏觀觀察結(jié)果,斷裂螺釘斷口呈現(xiàn)脆性斷口特征。通過金相檢測結(jié)果顯示,熱處理完成后,在晶界和相界大量析出碳化物,碳化物存在于晶界和相界上時會使滑移難度增大,軸向拉力增大,引起抗拉強度提高、韌性下降,形成回火脆性。通過對螺釘設(shè)計狀態(tài)的校核能夠看出,本批螺釘沖擊吸收能量較低,不滿足標準要求。改進熱處理工藝制度后,提高螺釘材料沖擊吸收能量,螺釘能夠發(fā)揮可靠的連接性能。通過前后兩次水壓爆破試驗結(jié)果對比,螺釘材料韌性差是螺釘發(fā)生斷裂的主要原因。2)熱處理工藝參數(shù)設(shè)定不合理是造成螺釘脆性斷裂的主要原因。3)通過保證熱處理爐控溫精度,調(diào)整熱處理工藝制度,延長等溫淬火保溫時間,增強馬氏體向下貝氏體的轉(zhuǎn)變,減小晶界和相界碳化物的析出,可以提高螺釘?shù)葴卮慊鸷蟮捻g性,防止其發(fā)生脆性斷裂。參考文獻:
[1] 劉憲民,花峰.熱處理對30CrMnSiNi2A鋼力學性能影響[J].鋼鐵,2003,38(1):43-47.
[2] 鐘群鵬,趙子華.斷口學[M].北京:高等教育出版社,2006.
[3] 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.
作者:袁鈺坤,王領(lǐng),張鵬博
