沿晶断裂失效模式分析

沿晶断裂失效模式分析

陈巍

中国航发哈尔滨东安发动机有限公司

摘要：故障件断裂起源部位附近断口为沿晶形貌，其余部位断口为韧窝形貌，表明故障件断裂性质为沿晶断裂+过载断裂。断口起源部位以及断裂部位附近的裂纹均呈沿晶特征，说明故障件在上述两部位存在使晶界弱化的因素。

关键词：断裂  沿晶断口  弯折  应力腐蚀 

1概述

弹簧片在工作后发生断裂。故障件所用材料为T10A板材，经淬火+回火热处理后供应。对故障件进行宏观观察、断口、显微组织及能谱分析结果如下2.2 试验部分

2.1外观检查：故障件断口附近外表面弹簧片弯曲部位凸向表面。故障件断裂于弹簧片弯曲弧度较大部位，断面大致与弹簧片长度方向垂直，该部位局部可见漆层剥落现象。在故障件断面两侧附近外表面，可见多条大致与断面平行的裂纹，远离断面部位外表面及故障件内表面未见裂纹。在故障件远离断面部位由外表面向内表面进行90°弯折，然后在体视显微镜下对该部位外表面进行放大观察，未见裂纹。

2.2断口检查:对故障件断口进行观察，故障件断口整体未见明显变色，断裂起源于外表面，并向内表面扩展，为多源断裂，多个起源均为线源。与其它部位相比，断裂起源部位附近断口相对粗糙，但是占整个断口面积的大部分形貌相对细致。在扫描电镜下对上述断口进行观察。其中故障件断裂起源部位附近相对粗糙的断口为沿晶形貌【1】。断裂起源部位未见明显冶金缺陷。

2.3能谱分析:对故障件断口进行能谱分析，其结果见附页。由能谱分析结果可知，故障件材料应为碳钢，所含主要合金元素为C、Si、Mn。除此之外，故障件沿晶断口部分还含有约10%～20%的O元素。

2.4高倍检测：截取故障件断裂部位制取高倍试样进行观察。可见故障件外表面存在多条大致与断裂表面平行的裂纹，裂纹呈沿晶特征，分叉很少，裂纹两侧可见氧化，但未见脱碳现象，深度约为0.04～0.25m。对故障件断面部位附近及远离断面部位的金相组织进行观察，其高倍组织均为回火屈氏体+碳化物，未见异常。由故障件截面夹杂物分布来看，弹簧片长度方向与板材纤维方向一致。

2.5硬度测试：对故障件基体进行硬度测定，其测定结果为：断面附近部位：520，521HV；远离断面部位：513，519HV。

3分析与讨论

综合上述分析结果，故障件材料符合碳钢，硬度、高倍组织检查未见异常，弹簧片长度方向与板材纤维方向一致，由此判断本次断裂故障的发生应与故障件的冶金质量无关。故障件断裂起源部位附近断口为沿晶形貌，其余部位断口为韧窝形貌，断裂部位附近的裂纹也呈沿晶特征，而在故障件远离断面部位人为制取的断口形貌为韧窝，未见沿晶特征；故障件沿晶断口部分存在氧化，同时断口附近的裂纹两侧也可见氧化，但未见脱碳现象。

由以上几个特征的前两个来看，本次故障的断裂部位附近外表面存在多条大致与断面平行的裂纹，显示本次故障弹簧片在断裂起始时，应是在外部应力作用下，断裂部位附近外表面多处萌生与弹簧片长度方向大致垂直的裂纹，只是断裂部位裂纹在随后的过程中扩展更快，因此故障件在该部位断裂。由这一点分析，导致本次断裂的主要原因应不是断裂部位存在个别的缺陷或者薄弱点这些个性因素，而应至少是可能导致裂纹区域性起源的外部或内部因素。那么从外部因素来看，由于裂纹均位于弹簧片弯曲弧度较大区域附近的外表面，而远离断面部位外表面及故障件内表面未见裂纹，结合断面附近部位及远离断面部位金相组织和硬度未见异常及明显差异，导致这种现象的原因很可能与弹簧片在弯曲成型的过程中或之后弯曲弧度较大区域附近的外表面相对承受更大的表面拉应力有关。从这个角度分析，故障件裂纹很可能是在弹簧片弯曲成型的过程中或之后萌生。由于故障件沿晶断口部分存在氧化，同时断口附近的裂纹两侧也可见氧化，由此来看，故障件在裂纹萌生后应经历氧化环境，而从故障件的制造工序来看，如果零件在制造过程中发生弯折断裂，经过回火处理后裂纹断口表面会出现明显的氧化脱碳现象，所以本次故障应该是在工作过程中产生的。此外，故障件断裂起源部位附近断口为沿晶形貌，其余部位断口为韧窝形貌，表明故障件断裂性质为沿晶断裂+过载断裂。断口起源部位以及断裂部位附近的裂纹均呈沿晶特征，说明故障件在上述两部位存在使晶界弱化的因素。由故障件所经历的工序及工作过程来看，使晶界弱化的可能因素有三个：回火脆、氢脆及应力腐蚀。以下分别结合故障件观察分析情况以及相应的模拟试验结果予以分析：回火脆：故障件远离断面部位人为制取的断口形貌为韧窝，未见沿晶特征；裂纹均位于弹簧片弯曲弧度较大区域附近的外表面，而远离断面部位外表面及故障件内表面未见裂纹，并且在对远离断面部位进行弯折时该部位外表面也未见裂纹。以上两个现象表明：晶界弱化情况可能仅在故障弹簧片断面附近的区域，即弯曲弧度较大区域附近的外表面表现的较为明显。由此判断，故障件应不会是由于存在回火脆性而导致断裂。氢脆：如上文所述，弹簧片在制造过程中会有析氢的环境，而在零件弯曲成型之后，弯曲弧度较大区域附近的外表面无论是静态还是在零件工作过程中，均会存在相对其它表面更大的拉应力，这一情况可能会为该表面萌生氢脆所致的裂纹创造更有利的条件，并可以从理论上为之所以会产生上段所述两种现象给出更好地解释

【2】。氢脆断口宏观形貌主要特征是：断口附近无宏观塑性变形，断口平齐，结构粗糙，氢脆断裂区呈结晶颗粒状，色泽为亮灰色，端面干净，无腐蚀产物，本次故障断口表面存在一定的氧化现象。我们后期做了一些模拟试验，将接触过浓度比较高的酸性物质的零件进行模拟试验，零件无论是弯折部分还是远离弯折部分均为韧窝断口。并且故障件断口表面未见“鸡爪痕”棱线特征。所以故障件是氢脆断裂的可能性较低。应力腐蚀：应力腐蚀断裂系金属在应力和腐蚀环境的作用下共同作用下而引起的一种断裂模式。通常把在交变应力（或称动应力，指随试件的不用，应力大小，方向有所改变或应力大小和方向同样变化）作用下，金属在腐蚀环境的断裂。应力腐蚀断裂的发生条件为应力+腐蚀。腐蚀条件从目前情况来看，在故障件沿晶断裂部分表面，未发现明显的腐蚀迹象及产物，但发现了一定程度的氧化【3】。结合故障件断裂部位附近存在局部漆层剥落迹象，不能完全排除故障件发生氧化腐蚀的可能，而应力如上文分析，在弹簧片弯曲成型之后，包括零件工作过程中是客观存在的，因此故障件发生应力腐蚀的可能性是存在的。

4结束语

故障件断裂性质为沿晶断裂+过载断裂，断裂起始部位为沿晶断裂；导致故障件裂纹萌生的因素为应力腐蚀。

参考文献

[1]《金属机械性能》编写组.金属机械性能.北京：机械工业出版社，1982

[2]《失效分析》张栋等编著.—北京：国防工业出版社，2004（2005.6重印）