楊玉川，李 巍，熊 勇

(中國(guó)航發(fā) 貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司，貴州 貴陽(yáng) 550014)

1Cr17Ni2鋼是一種用途廣泛的馬氏體/鐵素體型雙相不銹鋼，其特點(diǎn)是在保留鐵素體不銹鋼耐蝕性的同時(shí)，又具有馬氏體不銹鋼的高強(qiáng)性，是制造用于較高溫度下軸、銷、螺栓等部件的專用材料，在航空、船舶、機(jī)械等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)操縱盒小軸在安裝時(shí)發(fā)生斷裂，其材料為1Cr17Ni2鋼。本文對(duì)1Cr17Ni2鋼制操縱盒小軸斷口和顯微組織進(jìn)行了對(duì)比分析，找出了操縱盒小軸斷裂的原因；同時(shí)，探討了1Cr17Ni2鋼中鐵素體對(duì)高溫回火脆性的影響。

1 試驗(yàn)過(guò)程與結(jié)果

1.1 故障現(xiàn)象

操縱盒安裝在飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)下部，由殼體、操縱盒小軸、凸輪及電連接器等組成，帶動(dòng)凸輪驅(qū)動(dòng)微動(dòng)開關(guān)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)工作狀態(tài)的控制。操縱盒小軸在擰緊與其配套的螺母時(shí)發(fā)生斷裂，斷裂部位為操縱盒小軸螺桿根部(圖1虛線位置)。

圖1 操縱盒小軸宏觀形貌

1.2 斷口觀察及能譜分析

圖2為故障操縱盒小軸的斷口形貌。由體視顯微鏡觀察可知(圖2(a))，操縱盒小軸斷口較粗糙、光照下可見(jiàn)閃光小平面斷裂位置，未見(jiàn)明顯塑性變形；由掃描電鏡觀察可知(圖2(b))，操縱盒小軸斷口以結(jié)晶狀斷面為主，微觀形貌以沿晶為主，斷口未見(jiàn)疏松、夾雜等缺陷，斷口背散射電子圖像未見(jiàn)異常。表1為故障操縱盒小軸斷口能譜分析結(jié)果，斷口表面成分與1Cr17Ni2鋼較接近，未見(jiàn)腐蝕性元素。

圖2 故障操縱盒小軸的宏觀(a)和微觀(b)斷口形貌

表1 故障操縱盒小軸斷口能譜分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.3 顯微組織觀察及硬度測(cè)試

試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋后使用氯化銅鹽酸酒精溶液進(jìn)行侵蝕，采用Leica DMI 5000M型光學(xué)顯微鏡觀察試樣的顯微組織。故障操縱盒小軸橫向試樣的組織為回火索氏體，見(jiàn)圖3。對(duì)操縱盒小軸的試樣進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，其硬度為39.5 HRC。

圖3 故障操縱盒小軸的顯微組織

1.4 對(duì)比試驗(yàn)

取故障批操縱盒小軸和正常批操縱盒小軸進(jìn)行人工破斷，故障批操試樣斷口與故障操縱盒小軸斷口較相似，均以結(jié)晶狀斷面為主，微觀形貌也以沿晶斷面為主+少量韌窩的混合斷裂形貌；正常批操試樣斷口以結(jié)晶狀為主+10%纖維狀，結(jié)晶狀斷口微觀形貌為準(zhǔn)解理+韌窩，纖維狀斷口微觀形貌為細(xì)密的韌窩，見(jiàn)圖4(a，b)。磨制故障批操、正常批操橫向試樣，故障批操試樣的組織為回火索氏體，正常批操試樣的組織為回火索氏體+塊狀鐵素體，對(duì)比故障件和正常件試樣可見(jiàn)模糊的奧氏體晶界，見(jiàn)圖4(c，d)。對(duì)其進(jìn)行洛氏硬度測(cè)試，故障試樣硬度為39.5 HRC，正常批操硬度為35 HRC。對(duì)故障和正常試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，見(jiàn)表2，雖然故障和正常試樣的化學(xué)成分均符合GJB 2294A—2014《航空用不銹鋼及耐熱鋼棒規(guī)范》，但故障試樣的Ni元素含量為2.47%，接近上限，Cr、Si元素含量低于正常試樣。

圖4 操縱盒小軸的斷口形貌(a，b)及顯微組織(c，d)

表2 操縱盒小軸化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

1.5 熱處理試驗(yàn)

為確認(rèn)操縱盒小軸斷裂的原因，在故障批和正常批操縱盒小軸中分別各選取兩個(gè)試樣進(jìn)行熱處理試驗(yàn)，一個(gè)進(jìn)行1000 ℃油淬+500 ℃回火，另一個(gè)進(jìn)行1000 ℃油淬+570 ℃回火，再將上述4個(gè)試樣進(jìn)行人工破斷斷口和顯微組織觀察，如圖5所示?？梢钥闯觯?00 ℃回火的兩個(gè)試樣斷口較相似，均以結(jié)晶狀為主+10%纖維狀，結(jié)晶狀斷口微觀形貌均為準(zhǔn)解理+韌窩，纖維狀斷口微觀形貌均為細(xì)密的韌窩；570 ℃回火的兩個(gè)試樣斷口以結(jié)晶狀為主，故障批結(jié)晶狀斷口微觀形貌以沿晶為主，正常批結(jié)晶狀斷口微觀形貌以準(zhǔn)解理為主。故障批試樣回火后組織均為回火索氏體，正常批試樣回火后組織均為回火索氏體+塊狀鐵素體，見(jiàn)圖6。1Cr17Ni2鋼加熱到950～1050 ℃時(shí)，γ相區(qū)較小且γ/γ+α相界呈現(xiàn)直立態(tài)勢(shì)，Ni、Cr、Si、Mn等成分的波動(dòng)將直接影響鋼中鐵素體的含量；當(dāng)Cr、Si含量偏低、Ni含量偏高時(shí)，鐵素體含量偏少[1]。故障批試樣組織中無(wú)鐵素體與其化學(xué)成分有關(guān)，其中奧氏體形成元素Ni的含量接近上限有較大的影響，鐵素體形成元素Cr、Si的含量偏低也有一定的影響。

圖6 不同溫度回火后故障批(a，b)和正常批(c，d)操縱盒小軸的顯微組織

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)分析

從以上試驗(yàn)結(jié)果可知，故障操縱盒小軸的斷口較粗糙，光照下可見(jiàn)閃光小平面；斷裂位置未見(jiàn)明顯塑性變形，斷口形貌以結(jié)晶狀斷面為主，微觀形貌以沿晶斷裂為主，因此操縱盒小軸斷口的性質(zhì)為沿晶脆斷。

2.2 斷裂原因分析與討論

操縱盒小軸斷口未見(jiàn)疏松、夾雜等缺陷，斷口背散射電子圖像未見(jiàn)異常顯示；經(jīng)能譜分析，斷口表面成分正常、未見(jiàn)腐蝕性元素；磨制小軸橫向金相試樣，其組織為回火索氏體，說(shuō)明操縱盒小軸材質(zhì)未見(jiàn)明顯異常。

對(duì)操縱盒小軸進(jìn)行硬度測(cè)試，其硬度為39.5 HRC，超出工藝卡片所要求34～38 HRC的硬度范圍。有研究表明，1Cr17Ni2鋼中的鐵素體對(duì)硬度有較大的影響，其硬度是基體和鐵素體兩相數(shù)量、硬度的綜合作用，如公式(1)[2]所示：

HV=HVM(1-fF)+HVFfF

(1)

式中:HV為試驗(yàn)鋼的維氏硬度；HVM為基體的顯微硬度；fF為鐵素體的體積分?jǐn)?shù)；HVF為鐵素體的顯微硬度。

經(jīng)顯微組織對(duì)比發(fā)現(xiàn)，正常批操縱盒小軸的組織為回火索氏體+塊狀鐵素體，而故障批操縱盒小軸組織中無(wú)鐵素體。故障批操縱盒小軸硬度超標(biāo)與其組織中無(wú)鐵素體有較大的關(guān)系。

故障操縱盒小軸斷裂發(fā)生于螺桿根部，該部位無(wú)明顯的轉(zhuǎn)接圓角過(guò)渡，存在應(yīng)力集中現(xiàn)象。1Cr17Ni2鋼分別經(jīng)1000 ℃淬火+580 ℃回火和1000 ℃淬火+600 ℃回火后，V型缺口沖擊試樣斷口以撕裂棱和沿晶斷裂為主，而U型缺口試樣以韌窩和解理斷口為主[3-4]；1Cr17Ni2鋼經(jīng)1040 ℃淬火+550 ℃回火的單向活門人工破斷后，其斷口以沿晶斷裂為主[5]。1Cr17Ni2鋼具有高溫回火脆性，對(duì)沖擊性能具有明顯的影響，在475～550 ℃之間存在脆性區(qū)[6]；《中國(guó)航空材料手冊(cè)》也表明，1Cr17Ni2鋼在400～580 ℃回火后沖擊性能會(huì)下降。在非脆性區(qū)回火且應(yīng)力集中的沖擊試樣和脆性區(qū)回火的試樣均會(huì)產(chǎn)生沿晶斷口。故障操縱盒小軸規(guī)定的熱處理制度為1000 ℃淬火+500 ℃回火，該熱處理制度的回火溫度正處于回火脆性區(qū)。但經(jīng)人工破斷的斷口對(duì)比，只有故障批操縱盒小軸人工破斷的斷口以沿晶斷裂為主，而正常批操縱盒小軸斷口以準(zhǔn)解理+韌窩為主，說(shuō)明故障批操縱盒小軸脆性較大。材料本身材質(zhì)脆性增大一般存在3種可能，即晶界沉淀相引起的沿晶斷裂、回火脆化、金屬的過(guò)熱過(guò)燒[7]。故障操縱盒小軸顯微組織未發(fā)現(xiàn)晶界第二相的析出，該材料也非沉淀硬化不銹鋼，其組織也無(wú)過(guò)熱過(guò)燒現(xiàn)象。因此，結(jié)合故障操縱盒小軸斷口特征，該批操縱盒小軸可能存在回火脆化現(xiàn)象。

復(fù)查故障批操縱盒小軸的熱處理過(guò)程，淬火和回火的參數(shù)記錄符合規(guī)定，但熱處理表盤存在570 ℃高溫回火的異常記錄。為確認(rèn)操縱盒小軸斷裂的原因，對(duì)故障批和正常批操縱盒小軸試樣進(jìn)行1000 ℃淬火+500 ℃回火和1000 ℃淬火+570 ℃回火的熱處理試驗(yàn)。結(jié)果表明，570 ℃回火的故障批試樣與故障件較接近，人工破斷斷口以結(jié)晶狀斷面為主，微觀形貌以沿晶斷裂為主，基體組織為回火索氏體；570 ℃回火的正常批試樣，人工破斷斷口以結(jié)晶狀斷面為主，微觀形貌以準(zhǔn)解理為主。故障批操縱盒小軸經(jīng)1000 ℃淬火+570 ℃回火熱處理后，人工破斷斷口也出現(xiàn)了故障現(xiàn)象，說(shuō)明故障批操縱盒小軸在錯(cuò)誤的回火溫度進(jìn)行回火，進(jìn)而導(dǎo)致操縱盒小軸的脆性增加。而正常批試樣即使在570 ℃回火也未出現(xiàn)沿晶脆斷的惡劣情況，說(shuō)明除了回火溫度外，故障批操縱盒小軸還存在其他導(dǎo)致其晶界弱化的因素。

大量的研究表明，降低1Cr17Ni2鋼中δ鐵素體的含量，改變?chǔ)蔫F素體的分布形態(tài)，減少條狀分布形態(tài)δ鐵素體對(duì)基體連續(xù)性的破壞，可以提高材料的沖擊性能[8-10]。有研究表明[11]，在1Cr17Ni2鋼的平衡組織中，α鐵素體含量隨溫度升高而降低，δ鐵素體含量隨溫度升高而逐漸增加，鐵素體總量在1000 ℃左右為最低點(diǎn)；經(jīng)Themo-calc軟件計(jì)算，當(dāng)將1Cr17Ni2鋼中C、Cr、Ni、Mn、Si的含量控制在一定范圍后，其中Ni含量控制在2.0%～2.5%，經(jīng)850～1040 ℃淬火后的組織中基本上可以消除鐵素體。故障批操縱盒小軸奧氏體形成元素Ni含量為2.47%，接近上限，其化學(xué)成分與上述計(jì)算的控制范圍接近。雖然故障批操縱盒小軸與正常批操縱盒小軸的化學(xué)成分均在合格范圍內(nèi)，但C、Cr、Ni、Mn、Si等元素含量存在差異；故障批操縱盒小軸奧氏體形成元素(Ni)含量偏高、鐵素體形成元素(Cr、Si)含量偏低，這種差異導(dǎo)致故障批操縱盒小軸基體組織中無(wú)鐵素體。消除或較少δ鐵素體可以提高材料的沖擊性能，但試驗(yàn)所用的回火溫度是在回火脆性區(qū)間以外進(jìn)行的。一般情況下，高溫回火脆性越嚴(yán)重，鋼的斷口上沿晶斷口比例也越高。從故障操縱盒小軸570 ℃回火的斷口情況可以看出，無(wú)鐵素體的1Cr17Ni2鋼的高溫回火脆性更嚴(yán)重。

無(wú)鐵素體的1Cr11Ni2W2MoV鋼高溫回火脆化是由于M23C6在原奧氏體晶界及馬氏體板條邊界優(yōu)先析出，而雜質(zhì)P向原奧氏體晶界偏聚導(dǎo)致的[12]。1Cr17Ni2鋼制動(dòng)桿螺栓沿晶開裂是由于晶界生成“串珠狀”含Cr的粒子使晶界弱化，制動(dòng)桿基體組織中同樣無(wú)鐵素體[13]。鐵素體/奧氏體晶面和相界面的增加降低了單位面積上碳化物的沉淀量[14]。由以上研究結(jié)果可以推測(cè)，1Cr17Ni2鋼的合金元素在某一個(gè)范圍內(nèi)使基體組織中無(wú)鐵素體時(shí)，鐵素體相界面的消失增加了雜質(zhì)元素在晶界偏聚的濃度。而1Cr17Ni2鋼中含有大量細(xì)小的塊狀鐵素體時(shí)，鐵素體巨大的相界面能吸收大量的雜質(zhì)元素，降低了雜質(zhì)元素在晶界偏聚的濃度；另一方面，鐵素體相界面偏聚雜質(zhì)元素后，由于鐵素體韌塑好且彌散分布于索氏體基體中，不會(huì)對(duì)鋼的整體性能產(chǎn)生大的破壞。這可能是正常批試樣在570 ℃回火未出現(xiàn)沿晶脆斷的原因。因此，操縱盒小軸經(jīng)570 ℃回火發(fā)生沿晶脆斷，其原因是消除鐵素體后操縱盒小軸的570 ℃高溫回火脆性增大。

操縱盒小軸在規(guī)定的熱處理制度1000 ℃淬火+500 ℃回火下，無(wú)論基體組織中是否存在鐵素體，其人工破斷斷口均不會(huì)發(fā)生沿晶脆斷。因此，確保操縱盒小軸嚴(yán)格執(zhí)行原規(guī)定的熱處理制度可以避免沿晶脆斷的產(chǎn)生，該熱處理制度多年使用未出現(xiàn)此類故障的發(fā)生也證實(shí)了這一點(diǎn)。在加強(qiáng)熱處理過(guò)程管控后，操縱盒小軸也未再發(fā)生過(guò)沿晶脆斷的故障。操縱盒小軸的熱處理制度是根據(jù)硬度來(lái)選擇的，鑒于500 ℃回火仍然處于回火脆性區(qū)，宜采用400 ℃以下的低溫回火和600 ℃以上的高溫回火[15]，以改善操縱盒小軸的綜合力學(xué)性能。由于某些特殊原因，部分1Cr17Ni2鋼制零件仍在回火脆性區(qū)回火，這些零件的化學(xué)成分即使在合格范圍內(nèi)，也存在基體組織中無(wú)鐵素體的情況。然而通過(guò)化學(xué)成分是難以判斷基體組織中鐵素體含量的，故對(duì)于仍在550～590 ℃回火脆性區(qū)回火的1Cr17Ni2鋼制零件應(yīng)監(jiān)控鋼中的鐵素體含量，不宜采用無(wú)鐵素體的鋼材。

3 結(jié)論

1)操縱盒小軸在570 ℃回火脆性區(qū)回火后發(fā)生沿晶脆斷，其原因并非僅由于在回火脆性區(qū)回火降低了操縱盒小軸的沖擊性能，而主要是由于操縱盒小軸的基體組織中無(wú)鐵素體，鐵素體的缺失降低了晶面和相界面的總面積，導(dǎo)致在回火脆性區(qū)回火時(shí)晶界生成了更多的弱化粒子，使晶界強(qiáng)度低于含有一定量鐵素體的零件，加劇了其高溫回火脆性，最終導(dǎo)致操縱盒小軸的沿晶脆斷。雖然操縱盒小軸的化學(xué)成分也在合格范圍內(nèi)，但奧氏體形成元素(Ni)含量偏高、鐵素體形成元素(Cr、Si)含量偏低，這導(dǎo)致了操縱盒小軸基體組織中無(wú)鐵素體。

2)對(duì)于仍在550～590 ℃回火脆性區(qū)回火的1Cr17Ni2鋼制零件應(yīng)監(jiān)控鋼中的鐵素體含量，不宜采用無(wú)鐵素體的鋼材。