分享：弹性圆柱销开裂失效分析

摘 要:某设备在维护过程中发现设备内的弹性圆柱销开裂失效,通过宏观观察、化学成分分 析、硬度测试、金相检验、断口分析、氢质量分数测定等方法对弹性圆柱销的失效原因进行了分析. 结果表明:弹性圆柱销在退镀工序后没有进行相应的除氢工序,氢渗入了圆柱销内部,导致该弹性 圆柱销发生氢脆失效. 

关键词:６５Mn弹簧钢;弹性圆柱销;退镀;失效;氢脆 

中图分类号:TG１１５．２ 文献标志码:B 文章编号:１００１Ｇ４０１２(２０２０)０２Ｇ００５８Ｇ０３

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[２Ｇ３].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. 

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/T３２７９－２００９«弹簧钢热轧钢板»对６５Mn弹簧 钢的成分要求. 

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~ ５６０HV０．５,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.

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 FEIQuanta 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. 

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 ０．０００４１％,０．０００５５％,０．０００８６％.

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 ０．０００４１％~０．０００８６％的氢.一 般 钢 中 氢 质 量 分 数为０．０００５％~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１０００MPa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１７４９~１７８１ MPa,对于如此高强度的 钢而言,即使是０．０００４１％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[７Ｇ８].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.

３ 结论及建议

失效圆柱销在退镀工序后没有进行相应的除氢 工序,氢渗入了圆柱销内部,导致该弹性圆柱销发生 氢脆失效.

建议后续生产中,在退镀及其他产生析氢反应 的工序后增加除氢工序,以及时除去材料中的氢,避 免氢脆的产生.

参考文献: 

[１] «中国航空材料手册»编辑委员会．中国航空材料手 册[M]．北京:中国标准出版社,２００２． 

[２] 黄志涛,田文怀,苏永安．普通碳素钢渗氮后的氢脆 敏感性[J]．理化检验(物理分册),２０１０,４６(７):４２３Ｇ ４２６． 

[３] 刘强,林乃明,沙春鹏,等．钢铁材料电镀镉的研究现 状[J]．表面技术,２０１７,４６(１):１４６Ｇ１５７． 

[４] 郭弘．６５Mn弹性圆柱销径向脆断原因分析及改进措 施[J]．金属加工(热加工),２０１２,６３(１７):３９Ｇ４２． 

[５] 张栋,钟培道,陶春虎,等．失效分析[M]．北京:国防 工业出版社,２００４． 

[６] LOIDL M, KOLK O, VEITH S, et al． Characterization of hydrogen embrittlement in automotive advanced high strength steels [J]． Materialwissenschaftund Werkstofftechnik,２０１１,４２ (１２):１１０５Ｇ１１１０． 

[７] 陈旭,孟文华,顾 静 青,等．SWRCH１５A 钢 螺 钉 断 裂 原因分 析 [J]．理 化 检 验 (物 理 分 册),２０１６,５２(７): ５０７Ｇ５０９． 

[８] 郭垚峰,周海生,王永明,等．电镀高强度螺丝断裂分 析[J]．材料研究与应用,２０１６,１０(４):２７８Ｇ２８２． 

<文章来源 >材料与测试网> 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 56卷 > 2期 (pp:58-60)>