摘 要:某設(shè)備在維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的彈性圓柱銷(xiāo)開(kāi)裂失效,通過(guò)宏觀觀察、化學(xué)成分分 析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)、斷口分析、氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定等方法對(duì)彈性圓柱銷(xiāo)的失效原因進(jìn)行了分析. 結(jié)果表明:彈性圓柱銷(xiāo)在退鍍工序后沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的除氫工序,氫滲入了圓柱銷(xiāo)內(nèi)部,導(dǎo)致該彈性 圓柱銷(xiāo)發(fā)生氫脆失效.

關(guān)鍵詞:６５Mn彈簧鋼;彈性圓柱銷(xiāo);退鍍;失效;氫脆

中圖分類(lèi)號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５８Ｇ０３

６５Mn彈簧鋼強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向小、 切削加工性好且價(jià)格低廉,常用來(lái)加工成各種小規(guī) 格彈性件[１].６５Mn彈簧鋼耐蝕性差,常在其加工 成的零件表面進(jìn)行電鍍鎘處理,然而在電鍍、酸洗及 放氫型腐蝕環(huán)境中均會(huì)產(chǎn)生氫,使電鍍鎘技術(shù)存在 氫脆的隱患[２Ｇ３].氫脆往往導(dǎo)致材料延遲性的脆性 破壞,不易被發(fā)現(xiàn),且一般為批次性問(wèn)題,危害較大, 在生產(chǎn)和使用過(guò)程中需引起足夠重視.

某設(shè)備在維護(hù)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的６５Mn彈 簧鋼彈性圓 柱 銷(xiāo) 開(kāi) 裂 失 效,該 彈 性 圓 柱 銷(xiāo) 的 工 藝 流程為:落料 → 成 型 → 熱 處 理 → 探 傷 → 表 面 電 鍍 鎘→檢驗(yàn).筆者對(duì)失效的彈性圓柱銷(xiāo)進(jìn)行了相關(guān) 檢驗(yàn)和分析,找出了失效圓柱銷(xiāo)的開(kāi)裂原因,并提 出了相應(yīng)的解決措施.

１ 理化檢驗(yàn)

１．１ 宏觀觀察

通過(guò)體 視 顯 微 鏡 對(duì) 失 效 圓 柱 銷(xiāo) 進(jìn) 行 觀 察,如 圖１所示.可見(jiàn)失效圓柱銷(xiāo)的裂紋位于圓柱銷(xiāo)開(kāi)口 正對(duì)面,沿彈性圓柱銷(xiāo)軸向分布,裂紋呈連續(xù)而曲折 的鋸齒狀,未見(jiàn)分叉.圖１中上、下兩件為未開(kāi)裂的 彈性圓柱銷(xiāo).

１．２ 化學(xué)成分分析

在失效圓柱銷(xiāo)上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析,分析 結(jié)果見(jiàn)表１.結(jié)果表明失效圓柱銷(xiāo)的化學(xué)成分符合 GB/T３２７９－２００９«彈簧鋼熱軋鋼板»對(duì)６５Mn彈簧 鋼的成分要求.

１．３ 硬度測(cè)試

在失效圓柱銷(xiāo)上取樣進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試, 測(cè)得 硬 度 為 ５２３ HV０．５,工 藝 要 求 為 ４２０~ ５６０HV０．５,可見(jiàn)失效圓柱銷(xiāo)的硬度滿(mǎn)足工藝要求.

１．４ 金相檢驗(yàn)

在失效圓柱銷(xiāo)上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn),如圖２所 示,可見(jiàn)其顯微組織主要為回火馬氏體,未見(jiàn)條帶狀 組織和脫碳現(xiàn)象.

１．５ 斷口分析

失效圓柱 銷(xiāo) 的 外 表 面 已 裂 開(kāi),內(nèi) 表 面 尚 有 連 接,將內(nèi) 表 面 連 接 處 人 為 打 開(kāi),通 過(guò) FEIQuanta ６５０型 掃 描 電 鏡 (SEM)對(duì) 斷 口 進(jìn) 行 觀 察. 斷 口 SEM 形貌如圖３所示,可見(jiàn)裂紋起源于彈性圓柱 銷(xiāo)外側(cè)亞 表 面,向 內(nèi) 擴(kuò) 展.擴(kuò) 展 區(qū) 占 整 個(gè) 斷 口 的絕大部分,呈現(xiàn)沿晶的脆性斷裂形貌,內(nèi)表面連接 區(qū)域占整個(gè)斷口的比例很小,為人為撕裂的斷口. 整個(gè)斷口表 面 未 見(jiàn) 明 顯 的 塑 性 變 形,未 見(jiàn) 明 顯 的 冶金缺陷.

將裂紋源區(qū)進(jìn)一步放大觀察,如圖４所示,可 見(jiàn)裂紋源 區(qū) 斷 面 干 凈,未 見(jiàn) 腐 蝕 產(chǎn) 物.斷 口 裂 紋 擴(kuò)展區(qū) SEM 形貌如圖５所示,可見(jiàn)斷口裂紋擴(kuò)展 區(qū)呈沿晶分離狀,晶粒輪廓鮮明,晶面上可觀察到 變形線(xiàn),為 典 型 的 氫 脆 微 觀 斷 口.最 后 人 為 打 開(kāi) 斷口,如圖６所示,可觀察到細(xì)小的韌窩和斷裂的 鍍鎘層.

１．６ 氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

通過(guò) ONH２０００型氧氮?dú)錃怏w分析儀對(duì)３件失 效圓柱銷(xiāo)進(jìn)行氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定,氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為 ０．０００４１％,０．０００５５％,０．０００８６％.

２ 分析與討論

失效 圓 柱 銷(xiāo) 的 化 學(xué) 成 分 滿(mǎn) 足 GB/T ３２７９－ ２００９要求,斷面未見(jiàn)明顯的塑性變形及冶金缺陷, 初步排除過(guò)載斷裂和原材料缺陷產(chǎn)生裂紋的可能. 失效圓柱銷(xiāo)的裂紋位于圓柱銷(xiāo)開(kāi)口正對(duì)面,沿彈性 圓柱銷(xiāo)軸向分布.有文獻(xiàn)指出,帶狀組織對(duì)彈性圓 柱銷(xiāo)的性能影響很大,主要表現(xiàn)為各向異性,造成彈 性圓柱銷(xiāo)徑向開(kāi)裂[４].但失效圓柱銷(xiāo)顯微組織為回 火馬氏體,未見(jiàn)帶狀組織,可排除帶狀組織造成彈性 圓柱銷(xiāo)開(kāi)裂的可能.失效圓柱銷(xiāo)的顯微組織未見(jiàn)脫 碳,排除脫碳導(dǎo)致圓柱銷(xiāo)強(qiáng)度不足而開(kāi)裂的可能.

失效圓柱銷(xiāo)裂紋呈連續(xù)而曲折的鋸齒狀,未見(jiàn) 分叉,這是氫脆裂紋的典型形貌.裂紋起源于圓柱 銷(xiāo)外側(cè)亞表面,整個(gè)斷面干凈,未見(jiàn)腐蝕產(chǎn)物.裂紋 擴(kuò)展區(qū)占整個(gè)斷口的絕大部分,微觀斷口呈冰糖狀 沿晶分離,晶粒輪廓鮮明,晶面上可觀察到變形線(xiàn), 為典型的氫脆斷口微觀形貌.

氫質(zhì) 量 分 數(shù) 測(cè) 定 試 驗(yàn) 發(fā) 現(xiàn) 失 效 圓 柱 銷(xiāo) 含 有 ０．０００４１％~０．０００８６％的氫.一 般 鋼 中 氫 質(zhì) 量 分 數(shù)為０．０００５％~０．００１％時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氫致裂紋[５],但 有文獻(xiàn)表明,氫脆敏感性隨鋼鐵材料強(qiáng)度的提高而 急劇增加[６].特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過(guò)１０００MPa后 即使在氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低的情況下材料也可能發(fā)生氫 脆斷裂.而失效圓柱銷(xiāo)的顯微維氏硬度換算成抗拉 強(qiáng)度后達(dá)到１７４９~１７８１ MPa,對(duì)于如此高強(qiáng)度的 鋼而言,即使是０．０００４１％的氫也完全可以造成氫 脆開(kāi)裂.結(jié)合裂紋宏觀形貌、斷口微觀形貌、硬度、 金相及 氫 質(zhì) 量 分 數(shù) 判 斷 失 效 圓 柱 銷(xiāo) 發(fā) 生 了 氫 脆 開(kāi)裂.

發(fā)生氫脆通常需要兩個(gè)必要條件,一是必須有 氫的發(fā)生源,二是對(duì)象金屬需對(duì)氫敏感[７Ｇ８].調(diào)查發(fā) 現(xiàn),因該批彈性圓柱銷(xiāo)出廠檢驗(yàn)時(shí)硬度偏低,故生產(chǎn) 廠家對(duì)該批圓柱銷(xiāo)增加了一次熱處理.熱處理前需 先用稀鹽酸退掉圓柱銷(xiāo)表面發(fā)藍(lán)層,然后退火→淬 火→回火.熱處理前退鍍后廠家沒(méi)有增加相應(yīng)的除 氫工序,未及時(shí)除氫,導(dǎo)致氫滲入圓柱銷(xiāo),這便是氫 的來(lái)源.失效圓柱銷(xiāo)的材料為６５ Mn彈簧鋼,該材 料的強(qiáng)度很高,為氫脆敏感材料.本次失效滿(mǎn)足氫 脆發(fā)生的兩個(gè)必要條件,在裝配拉應(yīng)力的作用下該 圓柱銷(xiāo)產(chǎn)生了徑向氫脆開(kāi)裂.

３ 結(jié)論及建議

失效圓柱銷(xiāo)在退鍍工序后沒(méi)有進(jìn)行相應(yīng)的除氫 工序,氫滲入了圓柱銷(xiāo)內(nèi)部,導(dǎo)致該彈性圓柱銷(xiāo)發(fā)生 氫脆失效.

建議后續(xù)生產(chǎn)中,在退鍍及其他產(chǎn)生析氫反應(yīng) 的工序后增加除氫工序,以及時(shí)除去材料中的氫,避 免氫脆的產(chǎn)生.

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<文章來(lái)源>材料與測(cè)試網(wǎng)>期刊論文>理化檢驗(yàn)－物理分冊(cè)>56卷>2期(pp:58-60)>