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，常用來加工成各種小規(guī)格彈性件。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。氫脆往往導(dǎo)致材料延遲性的脆性破壞，不易被發(fā)現(xiàn)，且一般為批次性問題，危害較大，在生產(chǎn)和使用過程中需引起足夠重視。

事故背景

某設(shè)備在維護(hù)過程中發(fā)現(xiàn)設(shè)備內(nèi)的65Mn彈簧鋼彈性圓柱銷開裂失效，該彈性圓柱銷的工藝流程為：落料→成型→熱處理→探傷→表面電鍍鎘→檢驗(yàn)。

理化檢驗(yàn)

1、宏觀觀察

通過體視顯微鏡對(duì)失效圓柱銷進(jìn)行觀察，如圖1所示。

圖1 失效圓柱銷宏觀形貌

可見失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對(duì)面，沿彈性圓柱銷軸向分布，裂紋呈連續(xù)而曲折的鋸齒狀，未見分叉。圖1中上、下兩件為未開裂的彈性圓柱銷。

2、化學(xué)成分分析

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果見表1。

表1 失效圓柱銷的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))％

 結(jié)果表明失效圓柱銷的化學(xué)成分符合GB/T 3279－2009«彈簧鋼熱軋鋼板»對(duì)65Mn彈簧鋼的成分要求。

3、硬度測(cè)試

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行顯微維氏硬度測(cè)試，測(cè)得硬度為523HV0.5，工藝要求為420~560HV0.5，可見失效圓柱銷的硬度滿足工藝要求。

4、金相檢驗(yàn)

在失效圓柱銷上取樣進(jìn)行金相檢驗(yàn)，如圖2所示，可見其顯微組織主要為回火馬氏體，未見條帶狀組織和脫碳現(xiàn)象。

圖2 失效圓柱銷在低倍和高倍下的顯微組織形貌

5、斷口分析

失效圓柱銷的外表面已裂開，內(nèi)表面尚有連接，將內(nèi)表面連接處人為打開，通過FEI Quanta 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，可見裂紋起源于彈性圓柱銷外側(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)斷口表面未見明顯的塑性變形，未見明顯的冶金缺陷。

圖3 斷口SEM形貌

圖4 裂紋源區(qū)SEM形貌

圖5 裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌

圖6 人為打開斷口SEM形貌

將裂紋源區(qū)進(jìn)一步放大觀察，如圖4所示，可見裂紋源區(qū)斷面干凈，未見腐蝕產(chǎn)物。斷口裂紋擴(kuò)展區(qū)SEM形貌如圖5所示，可見斷口裂紋擴(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，為典型的氫脆微觀斷口。最后人為打開斷口，如圖6所示，可觀察到細(xì)小的韌窩和斷裂的鍍鎘層。

6、氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定

通過ONH2000型氧氮?dú)錃怏w分析儀對(duì)3件失效圓柱銷進(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％。

分析與討論

失效圓柱銷的化學(xué)成分滿足GB/T 3279－2009要求，斷面未見明顯的塑性變形及冶金缺陷，初步排除過載斷裂和原材料缺陷產(chǎn)生裂紋的可能。

失效圓柱銷的裂紋位于圓柱銷開口正對(duì)面，沿彈性圓柱銷軸向分布。有文獻(xiàn)指出，帶狀組織對(duì)彈性圓柱銷的性能影響很大，主要表現(xiàn)為各向異性，造成彈性圓柱銷徑向開裂。但失效圓柱銷顯微組織為回火馬氏體，未見帶狀組織，可排除帶狀組織造成彈性圓柱銷開裂的可能。

失效圓柱銷的顯微組織未見脫碳，排除脫碳導(dǎo)致圓柱銷強(qiáng)度不足而開裂的可能。

失效圓柱銷裂紋呈連續(xù)而曲折的鋸齒狀，未見分叉，這是氫脆裂紋的典型形貌。裂紋起源于圓柱銷外側(cè)亞表面，整個(gè)斷面干凈，未見腐蝕產(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，為典型的氫脆斷口微觀形貌。

氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)測(cè)定試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)失效圓柱銷含有0.00041％~0.00086％的氫。一般鋼中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0005％~0.001％時(shí)就會(huì)產(chǎn)生氫致裂紋，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。特別是當(dāng)抗拉強(qiáng)度超過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。而失效圓柱銷的顯微維氏硬度換算成抗拉強(qiáng)度后達(dá)到1749~1781MPa，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?jǐn)?shù)判斷失效圓柱銷發(fā)生了氫脆開裂。

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。調(diào)查發(fā)現(xiàn)，因該批彈性圓柱銷出廠檢驗(yàn)時(shí)硬度偏低，故生產(chǎn)廠家對(duì)該批圓柱銷增加了一次熱處理。熱處理前需先用稀鹽酸退掉圓柱銷表面發(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，這便是氫的來源。失效圓柱銷的材料為65Mn彈簧鋼，該材料的強(qiáng)度很高，為氫脆敏感材料。本次失效滿足氫脆發(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產(chǎn)生了徑向氫脆開裂。

結(jié)論及建議

失效圓柱銷在退鍍工序后沒有進(jìn)行相應(yīng)的除氫工序，氫滲入了圓柱銷內(nèi)部，導(dǎo)致該彈性圓柱銷發(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。

作者：李劍玉，工程師，中國空空導(dǎo)彈研究院