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(中國科學院金屬研究所, 沈陽 110016)

質(zhì)量控制與失效分析

CT機X射線防護箱體裂紋成因分析

高金柱,蓋秀穎

(中國科學院金屬研究所, 沈陽 110016)

某CT機X射線防護箱體在安裝過程中發(fā)現(xiàn)裂紋，為了找出裂紋產(chǎn)生的原因，利用體視顯微鏡、直讀光譜儀、光學顯微鏡、掃描電子顯微鏡等儀器對箱體的斷口形貌、化學成分和顯微組織等進行了觀察和分析。結(jié)果表明：該X射線防護箱體上的裂紋是在鑄造后、熱處理之前或熱處理過程中產(chǎn)生的，裂紋的產(chǎn)生與該部位存在較嚴重的疏松缺陷和較發(fā)達的枝晶組織有關(guān)，這不僅降低了箱體材料的強度和韌性，而且增加了材料內(nèi)部的殘余應力。

X射線防護箱體; 裂紋; 疏松; 枝晶

材料最薄弱的區(qū)域往往會成為失效開始的源頭，同時在失效的起始位置會留存失效過程的信息，對失效零件進行分析，可以找出其產(chǎn)生失效的主要原因及預防措施。工件產(chǎn)生失效的原因有很多，大體上包括設計不合理、選材不當及存在材料缺陷、制造工藝不合理、使用操作和維修不當?shù)萚1-9]。針對失效原因，采取改進措施，可以有效預防類似失效的再發(fā)生。

ZG45鋼硬度適中，易切削加工，且調(diào)質(zhì)處理后具有較好的綜合力學性能，廣泛應用于各類重要的結(jié)構(gòu)零件[10]。某CT機用X射線防護箱體材料為ZG45鑄鋼，為了達到應有的強度及防護效果，其采用的生產(chǎn)工藝流程為冶煉→鑄造→熱處理→鍍鋅等，但在安裝時發(fā)現(xiàn)箱體拐角處存在裂紋。筆者通過對失效箱體進行斷口形貌觀察、化學成分分析以及顯微組織觀察分析，對該X射線防護箱體的失效原因展開了全面的分析與研究，找出了其開裂的根本原因，并提出了改進措施。

1 理化檢驗

1.1宏觀分析

失效X射線防護箱體的宏觀形貌如圖1所示，箱體表面有鋅涂層防護。裂紋產(chǎn)生的位置如圖2所示。斷口宏觀形貌如圖3所示，可以看到箭頭所指位置(A區(qū)域)的顏色與其他部位的不一樣。將圖3中A區(qū)域放大，在斷口上還可看到柱狀晶形貌，將B區(qū)域放大可見有紅棕色的銹蝕，如圖4所示。

圖1 失效X射線防護箱體宏觀形貌Fig.1 The macro morphology of the failure X-ray protection box

圖2 箱體上裂紋宏觀形貌Fig.2 The macro morphology of crack on the box

圖3 箱體斷口宏觀形貌Fig.3 The macro morphology of fracture of the box

圖4 圖3中A區(qū)域和B區(qū)域放大斷口形貌Fig.4 The magnified fracture morphology of a) region A and b) region B in Fig.3

1.2斷口微觀形貌分析

在掃描電鏡下觀察，箱體斷口的形貌特征如下：圖5a)是圖3中裂紋源區(qū)的微觀形貌，在裂紋源的C位置可觀察到斷口表面較光滑，能譜(EDS)分析可見其表面覆蓋物的元素成分主要為鋅，如圖5b)所示；進一步觀察圖5a)中D區(qū)域的斷口形貌，可見斷口上有較粗的柱狀晶，如圖5c)和圖5d)所示。高倍下觀察到柱狀晶的表面為光滑自由面，由此說明此處是較大的疏松。該部位的能譜分析結(jié)果顯示表面只含有硫和錳元素，這些元素屬于基體中包含的元素，并可能在疏松區(qū)域存在較多的硫化錳夾雜物，如圖5d)所示；圖5e)是人工打開形成的斷口形貌，可以觀察到斷口特征主要為韌窩和自由表面，這進一步說明材料的基體中存在顯微疏松。通過斷口分析可知，該箱體斷口上鑄造疏松缺陷較多，裂紋源處有鋅層覆蓋。

1.3化學成分分析

對開裂箱體進行化學成分分析，結(jié)果見表1?？梢娫撓潴w化學成分符合GB/T 699-2015《優(yōu)質(zhì)碳素結(jié)構(gòu)鋼》對ZG45鋼(45鋼)成分的技術(shù)要求。

表1 箱體化學成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù))Tab.1 The analysis results of chemical compositionsof the box (mass fraction) %

1.4力學性能試驗

在箱體平面區(qū)域取拉伸試樣和沖擊試樣，試驗結(jié)果見表2?？梢娫撓潴w的拉伸性能和沖擊性能均較低，拉伸和沖擊斷口上均有肉眼可見的鑄造疏松缺陷。

表2 箱體室溫力學性能試驗結(jié)果Tab.2 The testing results of mechanical propertiesof the box at room temperation

圖5 箱體斷口微觀形貌及能譜分析結(jié)果Fig.5 The micro morphology and energy spectrum analysis results of fracture of the box: a) the morphology of the crack source region; b) the morphology of zone C and the corresponding EDS spectrum; c) the morphology of zone D; d) the morphology of zone D and the corresponding EDS spectrum; e) the morphology of the artificially opened fracture

圖6 拋光態(tài)斷口表面的鍍鋅層形貌Fig.6 The morphology of galvanized layer on the fracture surface in polishing state

1.5金相分析

在箱體斷口處取樣制備金相試樣，拋光后在光學顯微鏡下可觀察到鍍鋅層和顯微疏松，如圖6所示,鍍鋅層滲入斷口內(nèi)部，說明鍍鋅之前裂紋就已經(jīng)存在。試樣侵蝕后在光學顯微鏡下觀察可見，斷口處的鍍鋅層下方是脫碳嚴重的白色鐵素體，并且垂直斷口面的深度較深,由斷口表面到1.72 mm深度處，均能觀察到脫碳現(xiàn)象，如圖7所示，斷口處存在脫碳層說明裂紋在熱處理之前就已經(jīng)產(chǎn)生。在斷口處的低倍組織中還能觀察到較發(fā)達的枝晶狀顯微組織，如圖8所示，說明該區(qū)域的凝固速率較大。斷口處的顯微組織主要是鐵素體和顯微疏松，如圖9所示。箱體基體顯微組織為鐵素體和片狀珠光體，屬于正火態(tài)正常顯微組織，如圖10所示。

圖7 斷口處的脫碳形貌Fig.7 The decarburization morphology of the fracture position

圖8 斷口處的枝晶形貌Fig.8 The dendrite morphology of the fracture position

圖9 斷口處的顯微組織形貌Fig.9 The microstructure morphology of the fracture position

圖10 基體顯微組織形貌Fig.10 The microstructure morphology of the matrix

2 分析與討論

由以上理化檢驗結(jié)果可知：該CT機用X射線防護箱體的化學成分符合GB/T 699-2015對ZG45鋼成分的技術(shù)要求；但拉伸性能和沖擊性能均低于標準技術(shù)要求，力學性能偏低可能與材料中存在明顯的鑄造疏松缺陷有關(guān)。

掃描電鏡下觀察可見裂紋源部位斷口表面覆蓋有鍍鋅層，這說明該箱體在鍍鋅之前就已經(jīng)存在裂紋，斷口上除了有鍍鋅層外，還觀察到了較大的枝晶生長節(jié)，枝晶表面光滑，說明裂紋源處存在較嚴重的鑄造疏松缺陷。

CT機X射線防護箱體的裂紋可能為鑄造后裂紋、機械加工裂紋以及熱處理裂紋。如果裂紋位于箱體表面，在進行熱處理時，裂紋接觸到空氣，裂紋周邊會有明顯的氧化脫碳現(xiàn)象[6]。沿箱體裂紋打開形成斷口，斷口上可見鍍鋅層，且鍍鋅層下方不僅有全脫碳區(qū)域，而且脫碳較深，距斷口表面大約1.72 mm深度范圍內(nèi)均有較嚴重的脫碳行為，結(jié)合X射線防護箱體的生產(chǎn)過程及熱處理工藝，以及裂紋的形態(tài)和產(chǎn)生位置進行判斷，箱體表面裂紋產(chǎn)生于鑄造后、熱處理之前或熱處理的加熱過程中，導致在熱處理過程中斷口表面出現(xiàn)嚴重的脫碳行為。此外，斷裂源處存在發(fā)達的樹枝晶，這將增加鑄件內(nèi)部的殘余應力，促使裂紋擴展。

3 結(jié)論

該CT機X射線防護箱體上的裂紋是在鑄造后、熱處理之前或熱處理過程中產(chǎn)生的，裂紋的產(chǎn)生是由于該部位存在較嚴重的鑄造疏松缺陷和較發(fā)達的枝晶組織，降低了材料強度和韌性的同時，還增加了材料內(nèi)部的殘余應力。

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CauseAnalysisonCracksofanX-rayProtectionBoxUsedforCTMachines

GAOJinzhu,GAIXiuying

(Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Cracks were discovered on an X-ray protection box used for CT machines during installation. To find out the causes of the cracks, instruments such as stereo microscope, direct reading spectrometer, optical microscope and scanning electron microscope were used to analyze the fracture morphology, chemical compositions and microstructure of the box. The results show that the cracks formed after casting and before heat treatment or during heat treatment. And the formation of cracks was related to the existence of serious casting porosity defects and more developed dendrite structure which not only reduced the strength and toughness of the box material, but also increased the internal residual stress of the material.

X-ray protection box; crack; porosity; dendrite

TG142.1

B

1001-4012(2017)10-0761-04

10.11973/lhjy-wl201710015

2016-09-30

高金柱(1985-)，男，助理研究員，工學博士，主要從事材料的組織分析工作，jzgao11b@imr.ac.cn