吳俊峰

(中航工業(yè)航宇救生裝備有限公司，湖北襄陽441003)

0 引言

金屬材料在生產(chǎn)、加工過程中經(jīng)常會有氫滲入，使其產(chǎn)生氫脆。在生產(chǎn)中通常遇見的氫脆多由生產(chǎn)加工過程中氫滲入而除氫不夠或不徹底所導致，含氫量測定結果往往比較高(2×10－6～6×10－6);但在實際構件中也有氫含量測定結果比較低(尤其在高強度結構鋼構件中)，甚至低于1×10－6，但從斷口及其他各方面綜合分析仍然具備氫脆特征，而應該定性為氫脆的案例。某牌號為30CrMnSiNi2A的上夾板進行強度試驗，當加載到220 kN時在夾板截面突變處R根部發(fā)生突然斷裂，斷裂夾板見圖1，試驗加載方向如圖1中白色箭頭所示。夾板的設計強度是在加載到300 kN時不允許破壞。該上夾板主要制造工序為:熱鍛→正、回火→機加→熱處理→拋丸→表面處理(磷化)→噴漆。

通過對斷裂上夾板進行綜合分析，找出失效原因，并為同類故障的發(fā)生提供借鑒。

圖1 上夾板斷裂部位Fig.1 Fracture position of upper batten

1 試驗過程與結果

1.1 斷口宏觀觀察

夾板在截面突變R連接處斷裂(圖1)。斷口宏觀較為平齊，無明顯塑性變形，斷面與主應力方向垂直，為脆性斷口，可見明顯放射棱線，為解理斷裂，出現(xiàn)線性多源特征，斷裂源在夾板表面，如圖2中白色箭頭所示，粗大棱線收斂方向為裂紋源萌生區(qū)，即裂源。斷口干凈新鮮，源區(qū)為亮灰色結晶顆粒狀，為新斷口，屬于一次性斷裂，宏觀未見夾雜等其他肉眼可見冶金缺陷。

圖2 斷口宏觀形貌Fig.2 Appearance of the fracture surface

1.2 斷口微觀觀察

斷口源區(qū)典型形貌見圖3。裂源見圖3黑色箭頭所指，可見棱線由裂源向內(nèi)擴展放射。在源區(qū)邊緣未見機加傷痕和夾雜等冶金缺陷。斷口干凈無附著物，在掃描電鏡下觀察，源區(qū)為沿晶分離特征(圖4)，晶粒輪廓鮮明，呈冰糖狀，晶界面上伴有變形線，出現(xiàn)撕裂棱，擴展區(qū)在沿晶斷口上可見細小韌窩(圖5)，最后瞬斷區(qū)為韌窩(圖6)。

圖3 源區(qū)形貌Fig.3 Appearance of source zone

1.3 顯微組織檢查

上夾板顯微組織形貌見圖7，為均勻回火馬氏體+少量鐵素體，無過熱現(xiàn)象，為正常組織。

1.4 硬度檢驗

對夾板進行硬度檢測，結果為 47.5～49 HRC，符合45～50 HRC的設計要求。

圖4 源區(qū)沿晶斷口形貌Fig.4 Intergranular fracture feature at the source zone

圖5 擴展區(qū)沿晶+韌窩斷口形貌Fig.5 Dimples and intergranular fracture feature at propagation region

圖6 瞬斷區(qū)斷口韌窩形貌Fig.6 Dimples at final rupture zone

圖7 上夾板的顯微組織Fig.7 Microstructure of the upper batten

1.5 氫含量測定

對夾板進行氫含量測定其結果為1×10－6。

1.6 化學成分分析

化學成分分析結果見表1，其結果符合標準值要求。

2 分析與討論

夾板在截面突變R連接處斷裂，斷口宏觀較為平齊，無明顯塑性變形，放射棱線明顯，斷口源區(qū)為沿晶分離，擴展區(qū)在沿晶斷口上可見韌窩，最后瞬斷區(qū)為韌窩，這些均表明夾板為脆性斷裂。

表1 化學成分分析結果(質量分數(shù) /%)Table 1 Results of chemical composition analysis(mass fraction/%)

化學成分分析結果符合標準要求。金相顯微組織為均勻回火馬氏體+少量鐵素體，為正常組織，因此夾板熱處理工藝不存在問題。

斷口出現(xiàn)沿晶斷裂特征通常可能由4種因素所致［1］:1)存在過熱、過燒組織;2)應力腐蝕;3)回火脆;4)氫脆。

夾板金相組織為正常的回火馬氏體，無過熱與過燒的粗大組織和晶粒出現(xiàn)(圖7)，所以過熱過燒導致沿晶現(xiàn)象可以排除;斷面干凈新鮮無分叉裂紋，無腐蝕產(chǎn)物、泥紋花樣，晶粒輪廓分明但晶界并不圓滑(圖4、圖5)，故應力腐蝕造成夾板斷裂失效的可能性可以排除;按照文獻［2］在斷口附近取樣磨拋后用顯示回火脆的腐蝕劑:苦味酸10 g+二甲苯100 ml+乙醇10 ml腐蝕、拋光，腐蝕后未見回火脆性特征的黑色網(wǎng)狀現(xiàn)象出現(xiàn)［2］，故回火脆性的可能性也可以排除。

斷面沿奧氏體晶界分離開裂，晶粒輪廓分明，呈冰糖狀，屬于沿晶脆性斷裂，晶界顯微裂紋無分叉，是氫脆斷裂的微觀特征之一［3］。

通常一般鋼中的含氫量在(5～10)×10－6以上時會產(chǎn)生氫致裂紋，但對于高強度鋼，即使鋼中含氫量小于1×10－6，由于應力的作用，處在點陣間隙中的氫原子會通過擴散集中于缺口所產(chǎn)生的應力集中處，氫原子與位錯的交互作用使位錯線被釘扎不能自由活動，從而使基體變脆［4］。

一般具有如下3個特征均為氫脆斷裂［3］:1)宏觀斷口表面潔凈，無腐蝕產(chǎn)物，斷口平齊，有放射花樣;2)微觀斷口沿晶分離晶粒輪廓鮮明晶界面上伴有變形線，二次裂紋少，撕裂棱或韌窩較多;3)工作應力主要是靜拉應力，特別是三向靜拉應力。該夾板斷口干凈無附著物，源區(qū)沿晶分離，晶粒輪廓鮮明，呈冰糖狀，晶界面上伴有變形線，出現(xiàn)撕裂棱;從夾板斷裂的部位來看:斷裂在夾板截面突變根部，為應力集中最大部位。

文獻［4］中甲烷高壓理論能較好地解釋氫脆的產(chǎn)生原因:氫(H2、H、H+)奪取鋼中的碳生成甲烷，氫分子和甲烷分子的體積比氫原子大得多，形成后被封閉在鋼材的微縫隙中，逐漸形成高壓，高壓作用使微隙壁萌生裂源至發(fā)展成裂紋，最終鋼的力學性能下降導致構件喪失承載能力。其反應式為:

從夾板生產(chǎn)工序看只有在磷化過程中有可能出現(xiàn)氫的滲入。磷化是金屬表面與含磷酸二氫鹽的酸性溶液接觸，發(fā)生化學反應，而在金屬表面生成穩(wěn)定的不溶性的無機化合物膜層的一種表面的化學處理方法，形成磷化膜，夾板浸入磷化液中時，先與磷化液中的磷酸作用，生成一代磷酸鐵，并有大量的H2析出，其反應式為:

析出的H滲入夾板，如不及時進行除氫處理便會使夾板產(chǎn)生氫脆。

查閱生產(chǎn)記錄得知，該夾板在磷化處理后并未進行除氫處理。重新投入試驗件補充除氫處理工序后在進行拉力試驗，加載到310 kN時也未見破壞，這證實了夾板的確是由于磷化處理后未進行除氫處理而導致夾板表面吸氫至脆。

30CrMnSiNi2A屬于高強度結構鋼，因此，只要有H滲入，即使含量不高也會使脆性增加。文獻［5］認為氫脆裂紋源的萌生與應力有關，裂紋源在應力和氫交互作用下逐步形成。影響氫脆斷裂的主要與氫濃度、夾板強度和夾板所受應力大小有關，當氫含量較低應力較大時一般可見沿晶韌窩混合特征。

因此，夾板是在磷化處理后未進行除氫處理，在進行強度試驗時由于氫脆而斷裂。

3 結論

1)夾板斷裂性質為脆性斷裂;

2)夾板的斷裂與材質、機械加工和熱處理工藝無關;

3)夾板斷裂原因為氫致脆性斷裂。

［1］劉昌奎，臧金鑫，張兵.30CrMnSiA螺栓斷裂原因分析［J］.失效分析與預防，2008，2(3):43 －47.

［2］《金相分析》編寫組.金相分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1982:246－248.

［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，2004:201－204.

［4］廖景娛.金屬構件失效分析［M］.北京:化學工業(yè)出版社，2004:98.

［5］劉高遠，姜濤，趙衛(wèi)國，等.兩種夾板不同條件下氫脆斷裂分析［J］.材料工程，2003(增刊):118－120.