1Cr17Ni2钢制单项活门断裂失效分析

来源:江苏南京航空机电系统综合航空科作者:刘文斌

1Cr17Ni2不锈钢制单项活门在使用过程中发生了漏油。通过宏观形貌观察、金相检查和硬度测试等手段,结合活门的加工及热处理工艺,确定了裂纹的性质和起因。结果表明: 活门裂纹的断裂方式为沿晶脆性断裂。调查分析发现,由于活门零件在生产过程中热处理温度选择不当,回火加热温度恰好落在回火脆性区间,形成回火脆性,导致了零件在使用时抗冲击能力大大降低,发生沿晶脆性断裂,出现漏油现象。

1Cr17Ni2钢常用于航空器某些耐蚀结构。由于该钢的力学性能和抗腐蚀性对合金成分、杂质限量、热处理温度非常敏感,要获得良好的综合性能需要精确控制该钢的冶炼工艺及热加工工艺。许多零件由于多方面控制不当而引起失效,因此,热处理网(http://rechuli.chvacuum.com/)认为对1Cr17Ni2钢零部件的失效故障进行分析并找出其主要的失效原因对防止同类事故的发生有很强借鉴作用。

单项活门寿命2000 h,在使用200 h 以后,监测器发现系统油压下降,并报警,拆开后发现零件尾部出现裂纹。该活门的机加和热处理工艺为: 1040 ℃淬火+ ( 550 ± 20) ℃回火调质处理→机加→无损检测。通过对裂纹的断口、金相组织、硬度以及材料的化学成分分析,对裂纹产生原因以及性质作出判断,以便以后的生产实践中避免类似的事故发生。

1、试验方法与结果

1.1、外观形貌和体视显微镜观察

单项活门的宏观形貌见图1。在使用过程中产生的裂纹在零件上并没有完全贯穿,裂纹从尾部螺纹扩展至活门中部,走势平直,见图2。

单向活门的宏观形貌

图1 单向活门的宏观形貌

活门表面的裂纹

图2 活门表面的裂纹

1.2、微观观察

在裂纹处取一块试样命名为试样A。将试样A的裂纹人为打开,断口呈沿晶形貌,见图3。从整体看,A 试样断口平直,并没有明显的源区、剪切唇以及变形区。整个断口为沿晶断裂,并穿透整个端面的内外侧,见图4。

试样A 上裂纹的断口形貌

图3 试样A 上裂纹的断口形貌

试样A 的沿晶断裂形貌

图4 试样A 的沿晶断裂形貌

在远离裂纹处另取一块试样,线切割后使用铁锤人为敲开,试样命名为试样B。从整体看,试样B与试样A 断口特征一样,断口表面平直,也没有明显的源区、剪切唇以及变形区,裂纹穿透整个端面的内外侧断口,见图5。整个断面都为沿晶断裂区,见图6。

试样B 上裂纹的断口形貌

图5 试样B 上裂纹的断口形貌

试样B 的沿晶断裂形貌

图6 试样B 的沿晶断裂形貌

1.3、金相分析

再取一处试样进行金相制样,腐蚀后观察发现组织主要是索氏体+ 铁素体,部分铁素体呈细条带状分布。铁素体分布较多,并且试样的铁素体周围有弥散的颗粒状碳化物析出( 图7、图8) 。

活门的金相组织

图7 活门的金相组织

条带状铁素体

图8 条带状铁素体

1.4、化学成分分析

该活门材料为1Cr17Ni2,经过直读光谱仪测试,化学成分符合GJB 2294-95 中规定,见表1。

表1 活门的化学成分( 质量分数,%)

 活门的化学成分

1.5、硬度测试

对活门材料进行硬度测试,一共测试8 点,测试结果见表2。产品热处理工艺要求28 ~ 32 HRC,换算成维氏硬度273 ~ 304 HV。硬度值超过了设计范围。

表2 活门的硬度测试结果

活门的硬度测试结果

2、分析与讨论

经检查分析,该活门使用的材料正常,化学成分符合GJB 2294-95 标准要求。试样A 断口断面平整,没有明显的宏观塑性变形,断口断裂性质为过载断裂,断口形貌为冰糖状断口,典型的脆性断口特征。人为敲断的试样B 的断面也基本平整,断口的断裂性质为过载断裂,断口断面形貌为冰糖状断口,断裂特征也为脆性断口特征。金相组织为高温回火索氏体,并伴有部分铁素体,成条带状。硬度测试结果表明硬度不能满足设计要求的28 ~ 32 HRC。通过分析热处理工艺发现550 ± 20 ℃回火温度在回火脆性温度区间内,直接导致了该产品的回火脆性大大增加,造成在使用过程中材料的抗冲击韧性值急剧下降。一旦受到比较大的冲击力,必然导致零件产生开裂。

为获得良好的耐蚀性和冲击韧性,该活门应避免在400 ~ 580 ℃ 区间内回火,此外淬火冷速要快。1Cr17Ni2正常的淬火组织是马氏体和少量铁素体,淬火温度过高,会使钢中的铁素体与残余奥氏体含量增加,影响冲击韧性。1Cr17Ni2析出相碳化铬可以提高该材料的抗拉强度,但不利于冲击韧性。从《中国航空材料手册》对1Cr17Ni2分析图表介绍中可以看出回火温度在400 ~ 600 ℃有急剧下降过程,呈开口向上的抛物线,580 ℃回火温度为冲击韧性最低值。淬火温度为1040 ℃时, 580 ℃回火后αkv仅为370 kJ /m2 左右, 600 ℃以上回火后αkv为800 kJ /m2;淬火温度为1020 ℃时, 580 ℃回火后αkv为650 kJ /m2 左右,630 ℃ 回火后αkv为1200 kJ /m2左右。

1Cr17Ni2单项活门的热处理工艺为1040 ℃淬火,( 550 ± 20) ℃ × 2 h 回火,回火温度恰恰选择在回火脆性区间内。与热处理工艺人员交流得知,他们认为回火温度虽然在回火脆性区间内,但是回火冷却时候快速通过冷却区间温度,使用水冷的方式就可以避免第二类回火脆性。其实这是一个误区,因为该热处理工艺的淬火温度1040 ℃较高,直接导致机体内的铁素体较多,容易降低材料的冲击韧性。该种材料的钢应该避免在400 ~ 580 ℃区间回火,而550 ℃回火2 h 必然导致了碳化物在铁素体周围大量析出,并在铁素体晶界聚集。而该零件的铁素体含量较高,碳化物析出又多,并且在晶界聚集,使得活门零件的冲击韧性大大降低。从而导致了该产品在使用过程中失效。由于该产品并不需要高的硬度( 32 HRC 以上) ,因而可以提高回火温度,避免此类问题的发生。

3、结论

1) 该活门产生裂纹是因为受到冲击力,断口形貌为沿晶冰糖状断口;

2) 淬火温度过高、回火温度选择不当造成该零件的冲击韧性大大降低;

3) 建议淬火温度降到1020 ℃,回火温度在630 ℃以上,来提高产品的冲击韧性。

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