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65Mn彈簧墊圈斷裂分析

2012-07-17 08:37:36張躍飛劉艷穩(wěn)
失效分析與預(yù)防 2012年1期
關(guān)鍵詞:氫脆墊圈酸洗

張躍飛,陳 林,劉艷穩(wěn)

(1.中國(guó)人民解放軍駐一六二廠軍事代表室,貴州安順561018;2.中航工業(yè)貴州貴航飛機(jī)設(shè)計(jì)研究所,貴州安順561018)

0 引言

65Mn鋼強(qiáng)度高、淬透性好、脫碳傾向小、價(jià)格低廉、切削加工性好;但該鋼有過(guò)熱敏感性,易產(chǎn)生淬火裂紋,并有回火脆性。65Mn鋼用途較廣,主要生產(chǎn)成鋼絲、鋼帶,用于制造各種截面較小的扁彈簧、圓彈簧、板簧和彈簧片等[1]。

某型產(chǎn)品正極觸片組件選用了GB/T 859—1987 4發(fā)藍(lán)狀態(tài)的彈簧墊圈。為了提高導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、抗氧化性并保持接觸電阻穩(wěn)定,入廠后將該彈簧墊圈由發(fā)藍(lán)狀態(tài)改制為鍍銀狀態(tài)。在現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行產(chǎn)品裝配時(shí),該型彈簧墊圈在螺釘未擰到位的情況下出現(xiàn)裂紋或斷裂,失效彈簧墊圈均為同一改制批次。改制工藝流程為:退膜(弱浸蝕:硫酸)→電解除油(陽(yáng)極)→光亮腐蝕(出光:鉻酐、硫酸)→鍍銅→鍍銀→浸亮(氨水)→鈍化。彈簧墊圈雖小,一旦發(fā)生問(wèn)題就會(huì)使緊固件防松失效,導(dǎo)致整個(gè)產(chǎn)品不能正常工作,將會(huì)給產(chǎn)品制造和使用造成嚴(yán)重影響[2]。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

彈簧墊圈的宏觀形貌如圖1~圖3所示。裂紋沿墊圈徑向,裂紋在內(nèi)側(cè)張開(kāi)較大,裂紋起源于內(nèi)側(cè),裂紋附近無(wú)塑性變形。斷口呈金屬光澤,斷面干凈。在體視顯微鏡下觀察,整個(gè)斷面呈細(xì)粒狀,斷口上可觀察到均勻分布的小刻面;斷口未見(jiàn)夾雜、疏松等冶金缺陷。

1.2 微觀觀察

采用掃描電鏡對(duì)彈簧墊圈斷口進(jìn)行微觀觀察發(fā)現(xiàn):斷口呈冰糖狀特征,為沿晶斷裂(圖4);有二次裂紋產(chǎn)生,裂紋源不明顯;斷口晶面平坦,無(wú)腐蝕產(chǎn)物;可見(jiàn)白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條,并存在雞爪痕和氣泡特征(圖5);斷口呈典型的脆性斷裂特征(圖6)。

圖1 裂紋位置Fig.1 Crack position

圖2 裂紋宏觀形貌Fig.2 Crack appearance

圖3 斷口宏觀形貌Fig.3 Appearance of fracture surface

1.3 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂彈簧墊圈進(jìn)行了化學(xué)成分檢測(cè),彈簧墊圈的主要元素含量均符合相關(guān)技術(shù)要求。

1.4 金相檢驗(yàn)

在靠近斷口位置截取金相試樣,采用金相顯微鏡對(duì)試樣進(jìn)行顯微組織觀察,夾雜物符合要求。經(jīng)4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精腐蝕后,顯微組織為正常的馬氏體+殘余奧氏體(圖7)。

圖4 沿晶斷裂形貌特征Fig.4 Morphology of intergranular fracture

圖5 雞爪痕形貌特征Fig.5 Morphology of crow foot feature

圖6 氣泡形貌特征Fig.6 Morphology of the bubble

圖7 顯微組織形貌特征Fig.7 Microstructure

1.5 氫含量測(cè)定

在同一改制批中選取未裂(A組)和斷裂(B組)的彈簧墊圈若干件,采用測(cè)氫儀進(jìn)行氫含量測(cè)定,結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 氫含量測(cè)定結(jié)果Table 1 Results of the hydrogen content testing

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

綜合各種試驗(yàn)結(jié)果:宏觀上彈簧墊圈裂紋沿墊圈徑向,裂紋附近無(wú)塑性變形;斷口呈金屬光澤,斷面干凈;整個(gè)斷面呈細(xì)粒狀,斷口上均勻分布有小刻面;斷口未見(jiàn)夾雜、疏松等冶金缺陷。微觀上裂紋源不明顯,斷口呈冰糖狀特征,為沿晶斷裂;有二次裂紋產(chǎn)生,裂紋源不明顯;斷口晶面平坦,無(wú)腐蝕產(chǎn)物;可見(jiàn)白亮的、不規(guī)則的細(xì)亮條,并存在雞爪痕和氣泡特征;斷口呈典型的脆性斷裂特征。通過(guò)分析化學(xué)成分和金相組織,可知彈簧墊圈的材質(zhì)符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求,但是氫含量明顯偏高;因此,該彈簧墊圈斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

2.2 H來(lái)源分析

從彈簧墊圈的工藝流程中可以看出,彈簧墊圈中的H來(lái)源于以下2個(gè)環(huán)節(jié):

一是彈簧墊圈電鍍前處理的酸洗環(huán)節(jié),即退膜和光亮腐蝕。在酸洗過(guò)程中,不僅零件表層的油污、附著物、氧化物與酸發(fā)生化學(xué)反應(yīng),而且部分基體還會(huì)和酸發(fā)生置換反應(yīng),此時(shí)產(chǎn)生的H會(huì)大量擴(kuò)散滲入金屬基體[3];因此,鍍層及零件中將富含H,而酸洗槽液的成分、酸洗溫度、酸洗時(shí)間以及合金成分等都會(huì)影響H的含量。

二是彈簧墊圈的鍍銅、鍍銀環(huán)節(jié)。電鍍是一種電化學(xué)過(guò)程,同時(shí)也是一種氧化還原過(guò)程,將被鍍零件浸在金屬鹽的溶液中作為陰極,鍍覆金屬作為陽(yáng)極,在零件表面就會(huì)沉積出金屬鍍層。以鍍銅為例,在金屬Cu的陽(yáng)極板上,金屬Cu失去電子,發(fā)生變成Cu2+的氧化反應(yīng):Cu→Cu2++2e,金屬Cu的陽(yáng)極板在某種條件下出現(xiàn)鈍態(tài),將發(fā)生以下副反應(yīng):4OH-→2H2O+O2+4e;在陰極Cu2+獲得電子,發(fā)生變成金屬Cu的還原反應(yīng):Cu2++2e→Cu,同時(shí),陰極上還發(fā)生H+還原為H的副反應(yīng):2H++2e→H2。由上述反應(yīng)式可以看出:陰極表面沉積金屬鍍層的同時(shí),常伴隨著析氫反應(yīng)的發(fā)生[4]。

雖然彈簧墊圈在電鍍后都要進(jìn)行除氫處理,但如果除氫工藝有偏差,使得電鍍后除氫不徹底,會(huì)造成彈簧墊圈氫含量高而導(dǎo)致氫脆斷裂。經(jīng)對(duì)彈簧墊圈生產(chǎn)過(guò)程記錄進(jìn)行調(diào)查,發(fā)現(xiàn)該批彈簧墊圈在電鍍后擱置約20 h,未能及時(shí)除氫;且除氫時(shí)間僅為2 h,低于標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的4 h。

2.3 斷裂原因分析

從微觀角度看,H原子具有最小的原子半徑,即RH=0.053 nm,所以非常容易進(jìn)入金屬基體的內(nèi)部晶格,在外部應(yīng)力的作用下,金屬基體將發(fā)生位錯(cuò),導(dǎo)致H通過(guò)在金屬中的擴(kuò)散實(shí)現(xiàn)向三向應(yīng)力集中區(qū)域富集,并由H原子變?yōu)镠分子,在H富集的部位將產(chǎn)生巨大的體積膨脹效應(yīng),這種在晶粒邊界或位錯(cuò)塞積處的膨脹效應(yīng)導(dǎo)致了裂紋的形成。裂紋擴(kuò)展的速率因材料種類和H濃度而不盡相同,最終在一定應(yīng)力的協(xié)同作用下,發(fā)生氫脆斷裂[5]。

一般鋼中含氫量在(5~10)×10-6就會(huì)產(chǎn)生氫脆裂紋[6],而失效彈簧墊圈中的氫含量平均值為25.6 ×10-6,明顯偏高;另外,65Mn 彈簧墊圈強(qiáng)度高,對(duì)氫的敏感性較高,因此,裝配彈簧墊圈后,基體中的H在裝配應(yīng)力的作用下發(fā)生H的聚集,最終形成氫脆斷裂[7]。

3 改進(jìn)措施

根據(jù) HB/Z 5074—1993電鍍銀工藝和 HB 5335—1994金屬鍍覆和化學(xué)鍍覆工藝質(zhì)量控制規(guī)定,結(jié)合彈簧墊圈的材料特性,零件鍍銀后除氫的時(shí)間間隔不得超過(guò)4 h,除氫處理溫度為(190±10)℃,除氫時(shí)間4 h,并且鍍前處理嚴(yán)禁強(qiáng)酸腐蝕和陰極除油。

根據(jù)改進(jìn)后的工藝重新改制了一批彈簧墊圈,按照GB/T 859—1987輕型彈簧墊圈的規(guī)定,分別進(jìn)行了彈性試驗(yàn)、韌性試驗(yàn)、硬度檢測(cè)、抗氫脆試驗(yàn),各項(xiàng)試驗(yàn)均合格,且在實(shí)際裝配過(guò)程中及在裝配24 h后檢查,未發(fā)生斷裂現(xiàn)象,證明改進(jìn)措施有效。

4 結(jié)論

1)通過(guò)對(duì)彈簧墊圈進(jìn)行金相檢驗(yàn)和化學(xué)成分分析,發(fā)現(xiàn)其組織正常、元素含量符合標(biāo)準(zhǔn)要求;通過(guò)對(duì)彈簧墊圈進(jìn)行宏觀、微觀觀察,并結(jié)合氫含量的測(cè)定結(jié)果,判斷彈簧墊圈斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。

2)通過(guò)分析彈簧墊圈的工藝流程,判斷彈簧墊圈斷裂是由于電鍍前的不當(dāng)酸洗和電鍍后除氫不及時(shí)、不徹底所致。

3)根據(jù)改進(jìn)工藝流程后加工的彈簧墊圈通過(guò)了標(biāo)準(zhǔn)要求的各項(xiàng)試驗(yàn),說(shuō)明彈簧墊圈斷裂的性質(zhì)和原因分析正確,改進(jìn)措施有效。

[1]《中國(guó)航空材料手冊(cè)》編輯委員會(huì).中國(guó)航空材料手冊(cè):第1卷[M].北京:中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社,2002:350.

[2]郭偉.多途徑預(yù)防65Mn彈簧墊圈氫脆問(wèn)題[J].航天標(biāo)準(zhǔn)化,2006,3:41 -43.

[3]劉復(fù)榮,代利強(qiáng),孫兵,等.65Mn彈性連接片斷裂分析[J].柴油機(jī)設(shè)計(jì)與制造,2007,15(4):44 -46.

[4]李金桂.電鍍氫脆故障及應(yīng)對(duì)措施[J].材料保護(hù),2006,39(8):51-53.

[5]王斌.某導(dǎo)彈位標(biāo)器用彈簧墊圈失效分析[J].理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2005,41(7):361 -362.

[6]胡曉輝.3Cr13鋼彈簧片斷裂分析[J].理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2005,41(10):515 -517.

[7]余志剛.0SiMn2MoVA鋼氫脆斷口的分析及消除[J].理化檢驗(yàn):物理分冊(cè),2003,39(7):337 -338.

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