脆性斷裂典型案例：低合金超高強(qiáng)度鋼螺釘斷裂
30CrMnSiNi2A是廣泛應(yīng)用于我國航空航天制造的低合金超高強(qiáng)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?jǐn)?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(qiáng)度、塑性和韌性，良好的抗疲勞性和斷裂韌度，低的裂紋擴(kuò)展速率，因而適合制造高強(qiáng)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?zé)崽幚碇贫容^為嚴(yán)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(hào)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)行水壓爆破試驗(yàn)時(shí)，升壓至16MPa時(shí)（設(shè)計(jì)要求爆破壓力≥17.4MPa），首個(gè)螺釘從第一扣螺紋處發(fā)生斷裂，繼續(xù)升壓至16.6MPa時(shí)，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(dòng)機(jī)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(yàn)→粗加工→半精加工→精加工成形→等溫淬火→無損檢測→表面達(dá)克羅處理。加工過程中無涉氫環(huán)節(jié)。設(shè)計(jì)要求常溫下抗拉強(qiáng)度為1550MPa。本文對斷裂螺釘及同批次生產(chǎn)的螺釘進(jìn)行了失效仿真、拉伸和沖擊試驗(yàn)，并對斷裂螺釘斷口及拉伸、沖擊試樣斷口進(jìn)行檢測和分析，對螺釘金相組織進(jìn)行了檢測及分析。綜合以上試驗(yàn)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(jìn)行仿真驗(yàn)證，建立模型對法蘭連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算，計(jì)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(gè)結(jié)果，螺釘在承力時(shí)，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(jì)合理。水壓失效螺釘實(shí)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(diǎn)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(jìn)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(zhǔn)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(jìn)行了單軸拉伸和沖擊試驗(yàn)，單軸拉伸試驗(yàn)測量了螺釘最大軸向拉力及材料抗拉強(qiáng)度和伸長率，沖擊試驗(yàn)測量了材料韌性性能。最終試驗(yàn)測試結(jié)果表明，螺釘抗拉強(qiáng)度及伸長率滿足標(biāo)準(zhǔn)要求，沖擊吸收能量低于標(biāo)準(zhǔn)要求，材料性能按照標(biāo)準(zhǔn)QJ 2142—1991《超高強(qiáng)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(yàn)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(jìn)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(jìn)行了放大，并進(jìn)行了測繪，計(jì)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(bǔ)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(shí)間短，馬氏體向下貝氏體轉(zhuǎn)變不充分，補(bǔ)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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)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(jìn)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(shí)間，增強(qiáng)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(jìn)后生產(chǎn)的螺釘安裝在燃燒室殼體上，重新進(jìn)行了水壓爆破試驗(yàn)，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(dòng)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(xiàn)[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(biāo)準(zhǔn)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(xiàn)中對脆性斷裂特征的描述，水壓爆破試驗(yàn)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。②元素如碳、氮等含量增大時(shí)，鋼的脆性增大。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(huì)導(dǎo)致材料韌性下降[3]。①零件受力。當(dāng)零件上存在應(yīng)力集中時(shí)，往往會(huì)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(dāng)使用溫度低于脆性轉(zhuǎn)變溫度時(shí)，材料會(huì)發(fā)生脆性斷裂。③應(yīng)變率的影響。當(dāng)材料應(yīng)變率提高時(shí)，滑移難以進(jìn)行，材料會(huì)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(shí)會(huì)使滑移難度增大，軸向拉力增大，引起抗拉強(qiáng)度提高、韌性下降，形成回火脆性。通過對螺釘設(shè)計(jì)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(biāo)準(zhǔn)要求。改進(jìn)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(yàn)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(shí)間，增強(qiáng)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(xiàn)：
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[2] 鐘群鵬，趙子華.斷口學(xué)[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
單位：中國航天科工集團(tuán)第六研究院二一〇所
來源：《金屬加工（熱加工）》雜志
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