趙 楊, 鄒 駿

(上海航天動力技術(shù)研究所, 上海 201109)

30Cr3SiNiMoVA鋼是在總結(jié)了國內(nèi)外超高強(qiáng)度鋼的基礎(chǔ)上，由我國相關(guān)單位研制的鋼種。其具有優(yōu)良的室溫及高溫力學(xué)性能、高淬透性以及良好的加工成型工藝性和焊接工藝性。目前在固體火箭發(fā)動機(jī)殼體及相應(yīng)連接部件的設(shè)計制造中被廣泛應(yīng)用，如機(jī)載武器的殼體及掛接件等[1-3]?；鸺l(fā)動機(jī)殼體是發(fā)動機(jī)的重要組成部分，既是火箭彈體的一部分，也是推進(jìn)劑反應(yīng)的場所，不僅要承受發(fā)動機(jī)在工作時產(chǎn)生的內(nèi)壓，還要承受來自全彈的外載荷。

某火箭發(fā)動機(jī)殼體經(jīng)過旋壓工藝后成形,其熱處理工藝為：920 ℃淬火+270 ℃回火→空冷。發(fā)動機(jī)安裝使用之前需對發(fā)動機(jī)進(jìn)行一系列試驗來檢驗其安全性和穩(wěn)定性。為檢驗發(fā)動機(jī)的氣密性和質(zhì)量，對殼體進(jìn)行水壓試驗，充壓至10.5 MPa保壓1 min，降壓至7 MPa保壓3 min，再降壓至3 MPa后泄壓，將殼體烘干。為檢驗吊掛體的承載能力，將殼體注水懸掛80 h。為研究殼體在靜載荷作用下的剛度、強(qiáng)度、應(yīng)力、變形等情況，對殼體進(jìn)行靜力試驗。在靜力試驗過程中對注水殼體施加一定外載荷的同時，向殼體內(nèi)充壓，當(dāng)壓力達(dá)到9.5 MPa時，筒壁出現(xiàn)滲水現(xiàn)象，檢查殼體時發(fā)現(xiàn)在其周向固定裝置處的殼體開裂。為找到殼體開裂的原因，筆者對其進(jìn)行了理化檢驗與分析。

1 理化檢驗

1.1 宏觀觀察

在殼體中段發(fā)現(xiàn)兩條位置鄰近的裂紋，長度約為8 mm,兩條裂紋均沿軸向擴(kuò)展，殼體表面無明顯塑性變形。對其中一條裂紋進(jìn)行觀察，可見裂紋貫穿壁厚方向(3 mm)，如圖1所示。對斷口進(jìn)行觀察，可見斷口表面腐蝕情況較為嚴(yán)重，說明殼體在開裂后斷口與空氣和水接觸發(fā)生了氧化；將開裂斷口清洗后再進(jìn)行觀察，可見斷口表面平齊，無明顯塑性變形，為典型的脆性斷口。

1.2 化學(xué)成分分析

殼體材料為30Cr3SiNiMoVA低合金超高強(qiáng)度鋼，在裂紋附近取樣后進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示?？芍?dú)んw材料的化學(xué)成分滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的技術(shù)要求。

1.3 金相檢驗

沿斷口剖面方向和垂直于斷口裂紋方向截取金相試樣，分別編號為試樣1,2，試樣經(jīng)鑲嵌、磨拋和浸蝕后，置于光學(xué)顯微鏡下觀察。依照GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定 標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗法》對斷口進(jìn)行觀察，可知鋼中未見明顯非金屬夾雜物。試樣2裂紋拋光狀態(tài)下的形貌如圖2所示，可見內(nèi)表面一側(cè)裂紋開口端較粗大，另一端較細(xì);裂紋垂直于殼體表面，由一端開口裂至另一端，即由殼體內(nèi)表面裂至殼體外表面。

圖2 試樣2裂紋拋光態(tài)形貌Fig.2 Morphology of polished crack of sample 2

將試樣用體積分?jǐn)?shù)為4%的硝酸酒精溶液浸蝕后再進(jìn)行觀察，圖3和圖4所示為試樣2的顯微組織形貌，可見裂紋處和遠(yuǎn)離裂紋處的顯微組織均為回火馬氏體，存在一定的成分偏析，斷口剖面上裂紋呈斷續(xù)分布的沿晶形貌，裂紋附近未見明顯夾雜物、脫碳層以及沿晶析出相。

圖3 試樣2裂紋處顯微組織形貌Fig.3 Microstructure morphology of crack of sample 2:a) overall morphology; b) local enlarged morphology

圖4 試樣2遠(yuǎn)離裂紋處顯微組織形貌Fig.4 Microstructure morphology far away from crack of sample 2:a) at low magnification ; b) at high magnification

1.4 力學(xué)性能測試

在殼體彈翼支耳底座上切取φ6 mm的螺紋拉伸試棒和10 mm×10 mm×55 mm的沖擊試樣，分別按照GB/T 228.1—2010《金屬材料 拉伸試驗 第1部分：室溫試驗方法》與GB/T 229—2007《金屬材料 夏比擺錘沖擊試驗方法》對試樣進(jìn)行拉伸、沖擊試驗，并將結(jié)果與技術(shù)協(xié)議規(guī)范對比，結(jié)果如表2所示?？梢姎んw的各項室溫拉伸性能和沖擊性能都符合技術(shù)協(xié)議規(guī)范的技術(shù)要求。

表2 殼體力學(xué)性能測試結(jié)果Tab.2 Test results of mechanical properties of shell

將試樣2置于小力值的維氏硬度計下進(jìn)行硬度測試，加載載荷為9.807 N，保持10 s，測試結(jié)果為541，550，553，542，559，563,580,572 HV1，可見由于成分偏析導(dǎo)致了試樣硬度不均。

1.5 掃描電鏡分析

將試樣1清洗后，置于掃描電鏡(SEM)下進(jìn)行觀察，斷口SEM形貌如圖5所示，可見斷口呈明顯的沿晶斷裂特征，斷口不平，表面覆蓋有腐蝕產(chǎn)物，局部放大后可以看到沿晶界分布有較多的二次裂紋。

圖5 試樣1斷口SEM形貌Fig.5 SEM morphology of sample 1: a) at low magnification; b) at high magnification

進(jìn)一步放大觀察斷口形貌,如圖6所示?？梢姅嗫跒榈湫偷谋菭钛鼐嗫?，沿晶斷口的晶面并不光滑，晶面分布有類解理條紋，且部分晶面有韌窩花樣。

圖6 試樣1斷口高倍SEM形貌Fig.6 SEM morphology of the fracture of sample 1 at high magnification:a) intergranular morphology; b) quasi-cleavage veins; c) dimple pattern

2 分析與討論

當(dāng)30Cr3SiNiMoVA低合金超高強(qiáng)度鋼存在成分偏析時，殼體會有硬度不均的現(xiàn)象。在旋壓過程中，殼體表面或者近表面會出現(xiàn)微裂紋和皺褶,在皺褶的底部會形成應(yīng)力集中。當(dāng)應(yīng)力達(dá)到材料的強(qiáng)度極限時，會形成微裂紋，并在交變應(yīng)力的作用下裂紋逐漸擴(kuò)展[4]。但在旋壓工藝后，需要做無損探傷檢測，檢測結(jié)果符合設(shè)計要求。因此可以排除了旋壓加工導(dǎo)致殼體開裂的可能性。

旋壓加工過程中雖然沒有導(dǎo)致殼體開裂，但是由旋壓所產(chǎn)生的微裂紋仍然存在。在后續(xù)的熱處理過程中，微裂紋會逐漸愈合，并以位錯、空位、小孔洞等更小的缺陷形式存在[5-7]。此外，殼體在經(jīng)過淬火后，得到的馬氏體組織具有高強(qiáng)度和高密度的位錯等特征。在馬氏體相變過程中容易產(chǎn)生位錯、空位、堆垛層錯、微觀彈性畸變等缺陷[8]。通過金相檢驗可以判斷殼體顯微組織為回火馬氏體，裂紋兩側(cè)均未見脫碳現(xiàn)象，同時也未見粗大的針狀馬氏體，沒有組織過熱的跡象。由于熱處理后會再次進(jìn)行無損探傷檢測，而檢測結(jié)果同樣符合設(shè)計要求。因此排除了熱處理前開裂和熱處理加熱過程導(dǎo)致開裂的可能性。此外，在熱處理后殼體會進(jìn)行水壓試驗，并未見漏水現(xiàn)象，也可以證明殼體在熱處理后未出現(xiàn)開裂。

在靜力試驗過程中，殼體受到水壓和一定的外載荷作用，殼體內(nèi)部產(chǎn)生應(yīng)力，且主要為環(huán)向應(yīng)力(為軸向應(yīng)力的2倍)，故而殼體在水壓環(huán)向應(yīng)力和本身存在的殘余應(yīng)力疊加作用下會出現(xiàn)微量的塑性變形。當(dāng)殘余應(yīng)力方向與殼體受力方向一致時，會導(dǎo)致殼體的耐壓能力急劇降低。當(dāng)殼體本身具有缺陷(空位、位錯、微裂紋等)時，水壓和應(yīng)力會疊加作用在殼體缺陷處，從而加劇裂紋的形成[9]。由于水壓試驗時室內(nèi)空氣潮濕，而且水壓試驗和靜力試驗所使用的水是普通自來水，水中含有一些活性離子(Cl-等)[10]。殼體受到水壓和內(nèi)應(yīng)力的雙重作用，殼體的薄弱部位(空位、位錯、缺陷、微裂紋及晶界處的碳化物等)會重新形成裂紋。而Cl-會在裂紋尖端聚集，作為陽極與鐵基體發(fā)生反應(yīng)，加速鐵基體的腐蝕，使得裂紋向殼體厚度方向擴(kuò)展。在應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)的聯(lián)合作用下，在缺陷處產(chǎn)生應(yīng)力集中，使得金屬表面的氧化膜被破壞，并成為陰極發(fā)生氧的還原反應(yīng),通過電化學(xué)過程繼續(xù)擴(kuò)展、傳播，最終導(dǎo)致金屬材料發(fā)生斷裂[11]。在電化學(xué)反應(yīng)過程中，還會產(chǎn)生氫離子，氫離子滲入金屬，從而加劇氫脆敏感性。當(dāng)殼體受外載荷作用時，原子氫通過應(yīng)力誘導(dǎo)擴(kuò)散聚集到晶界，當(dāng)達(dá)到臨界值后引起氫致裂紋的形核、擴(kuò)展從而導(dǎo)致低應(yīng)力斷裂。應(yīng)力腐蝕開裂和氫致延滯開裂是相互促進(jìn)的，陽極溶解，使得金屬開裂，陰極吸氫，最終導(dǎo)致了延滯開裂。一般鋼中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)大于0.000 5%時會產(chǎn)生氫致裂紋，但對于30Cr3SiNiMoVA鋼這種低合金超高強(qiáng)度鋼，即使鋼中氫質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于0.000 1%，在一定的載荷作用下，處于點(diǎn)陣間隙中的氫原子也會通過擴(kuò)散駐留在晶界和非金屬夾雜物上，從而導(dǎo)致氫致延滯開裂[12]。同時，低合金超高強(qiáng)度鋼和回火馬氏體組織對氫脆的敏感性較大，成分偏析較容易捕獲氫原子[13]。馬氏體具有較大的位錯，吸氫量較大，氫原子很小，只會在位錯駐留，而位錯是氫陷阱。鋼中的氫通常以原子形式存在，但為降低能量，氫原子會與空位、位錯、晶粒邊界等相互作用，結(jié)合成氫分子，形成次生裂紋[14]。在外載荷、水壓壓力、應(yīng)力腐蝕和氫的作用下，晶粒沿晶界撕裂，由內(nèi)表面逐漸擴(kuò)展到外表面，從而導(dǎo)致殼體發(fā)生開裂，形成沿晶斷口形貌。

殼體的水壓試驗和靜力試驗，兩次試驗之間間隔近7 d(天)。水壓試驗時，在內(nèi)、外力和腐蝕等影響因素的作用下，并未達(dá)到殼體開裂的臨界點(diǎn)，殼體沒有開裂。然而，水壓試驗后殼體還存在沒有烘干的情況，這為氫的擴(kuò)散和應(yīng)力腐蝕提供了一定的條件。此外，吊掛體承載試驗過程中進(jìn)行80 h的注水懸掛，加劇了應(yīng)力腐蝕開裂和氫致延滯開裂的敏感性。所以，只有在外載荷、水壓壓力、內(nèi)應(yīng)力、應(yīng)力腐蝕、氫等因素聯(lián)合作用于殼體缺陷并達(dá)到一定程度時，才會使得殼體在靜力試驗過程中發(fā)生開裂。

3 結(jié)論及建議

成分偏析導(dǎo)致殼體在旋壓過程中產(chǎn)生微觀裂紋;在水壓試驗過程中，水中的活性離子會加速裂紋的擴(kuò)展，導(dǎo)致殼體在靜力試驗時發(fā)生氫脆和應(yīng)力腐蝕開裂。

建議在水壓試驗中使用去離子水，減少應(yīng)力腐蝕開裂的可能性；在水壓試驗后應(yīng)及時烘干，縮短殼體在潮濕環(huán)境中的時間，減少殼體發(fā)生腐蝕和氫致延滯開裂的可能性。