燕 翔，萬里園，劉德林，姜 濤

(1.湖北三江航天紅陽機(jī)電有限公司，湖北孝感 432100;2.北京航空材料研究院中航工業(yè)失效分析中心，北京 100095）

0 引言

在航天、航空等領(lǐng)域，卡箍是一種常用的標(biāo)準(zhǔn)件，通常鉚接在各類艙體內(nèi)部，起到固定和捆扎艙內(nèi)電纜束的作用。航天行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定:卡箍按材料不同可為鋁制、鋼制和高分子材料卡箍，在鋼制卡箍中，又可分為結(jié)構(gòu)鋼、工具鋼和彈簧鋼3類卡箍，工具鋼、彈簧鋼卡箍因具有較高的彈性;因此，多用于反復(fù)使用或可靠性要求更高的場合?？ü渴问蕉嘁詳嗔褳橹?，根據(jù)斷裂機(jī)制不同，通常有2種，一種是零件熱成形工藝控制不到位，在大應(yīng)變區(qū)域萌生裂紋，致使在卡裝電纜的過程中發(fā)生斷裂，對(duì)于此種情況，卡裝電纜束或力學(xué)環(huán)境試驗(yàn)時(shí)多可以察覺;而對(duì)于高強(qiáng)度鋼制卡箍，最終鍍鋅鈍化處理，鍍鋅如不能及時(shí)除氫或除氫不凈，極易發(fā)生氫脆，由于氫脆斷裂具有延遲的特點(diǎn)［1］，因此難以察覺，故危害性更大，在工程應(yīng)用中應(yīng)引起足夠的重視。

中段艙體卡箍(簡稱中段卡箍)材料牌號(hào)為T8A，執(zhí)行技術(shù)條件為QJ 177.13A—1995，在捆扎電纜束約5.5 h后發(fā)生斷裂，尾段艙體卡箍(簡稱尾段卡箍)在卡入電纜束時(shí)發(fā)生斷裂，材料牌號(hào)為65Mn。卡箍工作中主要承受彎應(yīng)力，成形工藝流程為:退火→鈑金熱成形→強(qiáng)化熱處理(保證硬度42～46 HRC)→鍍鋅鈍化。本研究對(duì)2種失效卡箍進(jìn)行了外觀檢查、化學(xué)成分分析、金相組織檢查、硬度測定、斷口微觀觀察、H含量測試等，確定斷裂的原因和性質(zhì)。

1 試驗(yàn)過程與結(jié)果

1.1 宏觀觀察

中段、尾段卡箍整體形貌分別如圖1、圖2，呈“Ω”形，中段卡箍斷裂處位于鉚接安裝孔平面的直角根部，尾段斷裂發(fā)生在圓弧段與平面交匯的圓角處，清除表面的隔熱涂料后，中段卡箍呈彩虹色，略帶軍綠色，尾段卡箍呈彩虹色［2］。將斷口放置在體視顯微鏡下觀察，中段卡箍斷面干凈、粗糙，可見大量呈亮灰色結(jié)晶狀特征，取向平行于板帶厚度平面，未見明顯的塑性變形痕跡，在斷口外側(cè)邊緣可見較薄的一層平坦帶，內(nèi)側(cè)邊緣粗糙，多呈鋸齒狀(圖3)。

圖1 中段卡箍整體形貌Fig.1 Appearance of middle clamp

圖2 尾段卡箍整體形貌Fig.2 Appearance of tail clamp

尾段卡箍斷面平坦，較粗糙，取向與圓弧段法平面大致成45°，暗灰色，在內(nèi)側(cè)邊緣可見明顯的塑性變形痕跡，大致中心局部區(qū)域有彩虹色覆蓋物，并由內(nèi)側(cè)邊緣向外側(cè)邊緣沿展，從覆蓋物顏色判斷，應(yīng)為鍍鋅層(圖4)。

以上試驗(yàn)可知，中段卡箍呈脆性斷裂特征，斷裂處存在明顯的應(yīng)力集中，裂紋起源于外側(cè)向內(nèi)側(cè)擴(kuò)展，光亮平坦帶為剪切唇區(qū)。尾段卡箍呈韌性斷裂特征，斷裂部位也存在明顯的應(yīng)力集中，從斷面上的鍍覆層分析，存在一處原始裂紋，且裂紋由內(nèi)側(cè)向外側(cè)擴(kuò)展，斷裂是原始裂紋擴(kuò)展的結(jié)果。

圖3 中段卡箍斷裂部位及斷口形貌Fig.3 Micro appearance of fracture surface of middle clamp

圖4 尾段卡箍斷裂部位及斷口形貌Fig.4 Micro appearance of fracture surface of tail clamp

1.2 化學(xué)成分分析

運(yùn)用等離子光譜分析儀(ICP)對(duì)失效零件合金元素及雜質(zhì)元素進(jìn)行化學(xué)成分分析，分析結(jié)果如下表1?？梢娭卸慰ü?A)和尾段卡箍(B)化學(xué)成分均符合標(biāo)準(zhǔn)要求，中段卡箍C含量接近標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的上限值［3］。

表1 卡箍化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù) /%)Table 1 Results chemical composition analysis by ICP(mass fraction/%)

1.3 金相組織檢查

在失效零件上切取金相橫截面試樣，經(jīng)磨制、拋光后，再用4%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))硝酸酒精溶液浸蝕，放置在金相顯微鏡下觀察，中段卡箍組織如圖5，尾段卡箍組織如圖6，組織均正常，呈回火馬氏體組織［4］。

圖5 中段卡箍顯微組織Fig.5 Microstructure of middle clamp

圖6 尾段卡箍顯微組織Fig.6 Microstructure of tail clamp

1.4 硬度檢查

運(yùn)用顯微維氏硬度計(jì)在金相試樣磨面上測定硬度，測定結(jié)果如表2。由表2可知，中段卡箍硬度達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定上限值，而尾段卡箍硬度則偏標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的下限，中段卡箍具有較高的強(qiáng)度［5］。

表2 硬度測定結(jié)果Table 2 Hardness test results

1.5 斷口微觀觀察

失效斷口經(jīng)超聲波清洗后放入掃描電鏡下觀察。中段卡箍裂紋源區(qū)典型微觀形貌如圖7a，可見大量的沿晶區(qū)，晶粒輪廓清晰，表面干凈，多呈冰糖狀，可見少量的二次裂紋特征，表層的鍍覆層清晰可見(圖7b)。擴(kuò)展區(qū)沿晶特征逐漸減少，而韌窩特征逐漸增多，瞬斷區(qū)均為小尺寸韌窩，局部可見擦傷痕跡。

在失效零件上切取試樣，選用單向彎曲加載獲得人工斷口，在電鏡下觀察發(fā)現(xiàn)均呈韌窩斷裂特征(圖8)。

尾段卡箍斷口典型微觀形貌如圖9，呈韌窩特征，韌窩尺寸較大，局部亦可見明顯的擦傷痕跡。宏觀觀察到到覆蓋物微觀形貌如圖10，略呈泥紋花樣，經(jīng)EDS能譜分析，確定主要元素為Zn。

以上試驗(yàn)可知，中段卡箍裂紋源區(qū)微觀下主要為沿晶斷裂特征，沿晶特征向心部逐漸減少，韌窩特征逐漸增多，韌窩尺寸較小，人工斷口未見沿晶特征，均為韌窩特征。尾段卡箍斷口微觀下均為韌窩斷裂特征，韌窩尺寸較大，EDS分析結(jié)果表明宏觀觀察到的覆蓋物為鍍鋅層。從斷裂微觀特征和韌窩尺寸來看，2種卡箍均為塑性斷裂特征，但尾段卡箍較中段卡箍塑性更好。

1.6 H含量測定

打磨去除中段卡箍表層的鍍鋅層，運(yùn)用測氫儀測定H元素含量，測得含H量為6 kg/m3，結(jié)果表明含H量較高。

圖7 裂紋源區(qū)微觀沿晶斷裂特征Fig.7 The intergranular fracture characteristics of crack source region

圖8 人工斷口韌窩斷裂特征Fig.8 Microscopic dimples feature of the artificially opened zone

圖9 斷裂微觀特征Fig.9 Microscopic characteristics of fracture

圖10 鍍覆層微觀形貌Fig.10 Micro appearance of plating layer

2 分析與討論

通過以上試驗(yàn)可知，中段卡箍組織正常，化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，硬度偏規(guī)定的上限值，裂紋起源于應(yīng)力集中明顯的直角根部外側(cè)表層，源區(qū)以沿晶斷裂特征為主，沿晶區(qū)向擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)逐漸過渡到小尺寸韌窩特征，人工斷口未見沿晶斷裂特征，而均為韌窩斷裂特征;H含量較高。尾段卡箍組織正常，硬度偏規(guī)定下限值，裂紋起源于應(yīng)力集中的內(nèi)側(cè)表層，整個(gè)斷口完全呈韌窩斷裂特征，斷面局部為鍍鋅層覆蓋。

根據(jù)已掌握的情況可知，中段卡箍具有以下4個(gè)特征:1)進(jìn)行了電鍍處理，且在裝配一段時(shí)間內(nèi)發(fā)生的斷裂，具有延遲斷裂特點(diǎn);2)卡箍外表面受拉應(yīng)力，斷裂發(fā)生在裝配孔附近的直角根部，也就是卡箍承受應(yīng)力最大，應(yīng)力集中最為嚴(yán)重的根部;3)裂紋形核于根部并沿心部擴(kuò)展，斷面較平坦、干凈，無腐蝕產(chǎn)物，裂紋形核區(qū)域基本均為沿晶斷裂特征，且越靠近鍍鋅表層，沿晶區(qū)越多，沿晶特征越明顯;4)人工斷口均為韌窩斷裂特征，未見沿晶斷裂特征。

以上4種特征完全符合氫致延遲斷裂的基本特征，由此可判斷中段卡箍斷裂性質(zhì)應(yīng)為氫致延遲斷裂。從H含量測定的結(jié)果看，卡箍H含量達(dá)到6 kg/m3，H含量已經(jīng)相當(dāng)高。影響材料發(fā)生氫脆的因素主要有H含量、材料強(qiáng)度和應(yīng)變速率。其中H含量和材料強(qiáng)度對(duì)氫脆的影響最為顯著。氫脆斷裂的臨界應(yīng)力極限σH隨著材料強(qiáng)度的升高而急劇下降，一般硬度低于22 HRC時(shí)不發(fā)生氫脆斷裂而產(chǎn)生鼓包現(xiàn)象。工程經(jīng)驗(yàn)表明，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)鋼，當(dāng)氫含量大于5 kg/m3時(shí)就可能發(fā)生氫脆，而對(duì)于高強(qiáng)鋼、超高強(qiáng)度鋼，H含量小于1 kg/m3也有可能發(fā)生氫脆開裂［6］。T8A作為一種碳素工具鋼，主要用作承受沖擊負(fù)荷及需要適當(dāng)硬度并具有較好韌性的各種工具［7］。為使得卡箍具有較好的彈性，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求熱處理保證硬度在42～46 HRC，組織檢查發(fā)現(xiàn)為回火馬氏體，實(shí)測硬度達(dá)到規(guī)定上限，在如此高強(qiáng)度下，氫脆斷裂傾向急劇增加。建議在滿足設(shè)計(jì)要求的前提下，適當(dāng)提高回火溫度，以降低強(qiáng)度，同時(shí)獲得足夠的韌性，降低氫脆發(fā)生的可能性［8］。根據(jù)零件的制造工藝分析，H元素應(yīng)來源于鍍鋅過程。

分析表明:尾段卡箍在鍍鋅前裂紋已經(jīng)產(chǎn)生，從斷裂的部位和制造工藝來看，裂紋應(yīng)產(chǎn)生于成形階段。

綜上所述，中段卡箍斷裂性質(zhì)為氫致延遲斷裂，導(dǎo)致其氫脆的主要因素是卡箍的H含量偏高，同時(shí)，較高的強(qiáng)度對(duì)斷裂的發(fā)生起到了促進(jìn)作用。尾段卡箍斷裂性質(zhì)為過載斷裂，局部裂紋缺陷的存在引起承載力下降。

3 結(jié)論

1)中段卡箍斷裂性質(zhì)為氫致延遲斷裂。

2)尾段卡箍斷裂性質(zhì)為過載斷裂。

3)中段卡箍氫脆的主要因素是H含量偏高，同時(shí)，較高的強(qiáng)度對(duì)斷裂的發(fā)生起到了促進(jìn)作用。

4)尾段卡箍發(fā)生過載斷裂的主要原因是成形過程產(chǎn)生的裂紋缺陷引起承載能力下降。

［1］黃紅軍，譚勝，胡建偉，等.金屬表面處理與防護(hù)技術(shù)［M］.北京:冶金工業(yè)出版社，2011:284－287.

［2］黃永兵.鍍鋅［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2006:152－153.

［3］工程材料實(shí)用手冊(cè)編輯委員會(huì).工程材料實(shí)用手冊(cè)［M］.北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1988:208－210.

［4］黃振東.鋼鐵金相圖譜［M］.北京:中國科技文化出版社，2005:179－181.

［5］姚艷書，唐殿福.工具鋼及其熱處理［M］.沈陽:遼寧科學(xué)技術(shù)出版社，2009:312－313.

［6］張棟，鐘培道，陶春虎，等.失效分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2004:437－439.

［7］上海交通大學(xué)金相分析編寫組.金相分析［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1982:327－330.

［8］王忠誠.熱處理常見缺陷分析與對(duì)策［M］.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2007:346－349.