秦會(huì)常，楊守杰，彭颋，王傳政，車路長(zhǎng)，盧連軍，張均法

（1.山東特種工業(yè)集團(tuán)有限公司，淄博255201;2.中國(guó)兵器工業(yè)第五九研究所，重慶 400039）

某火炮擊針用原材料為45CrNiMoVA，工藝流程為:圓鋼→鍛造→退火→粗加工→調(diào)質(zhì)熱處理→精加工。退火溫度為880℃。淬火采用可控氣氛爐加熱，用甲醇作為保護(hù)氣氛，具體工藝為（860±10）℃，2 h，油淬?；鼗鸩捎秒娮锠t加熱，具體工藝為400～500℃，2.5 h。火炮擊針在打炮過(guò)程中出現(xiàn)了斷裂，文中對(duì)某火炮擊針工件進(jìn)行了斷口宏微觀觀察及能譜成分分析、金相組織觀察、硬度檢測(cè)、熒光滲透檢驗(yàn)和能譜成分分析，確定了斷裂的性質(zhì)，并對(duì)其產(chǎn)生的原因進(jìn)行了分析。

1 工件的理化檢測(cè)

1.1 宏觀觀察

擊針斷口產(chǎn)生于頭部與細(xì)桿部結(jié)合面的螺紋槽根部附近，如圖1所示。螺紋槽根部R較小，存在明顯截面過(guò)渡，斷口外緣存在比較粗糙的機(jī)加工刀痕，外邊緣有外力損傷的點(diǎn)狀、線狀缺口;整個(gè)斷口上未見(jiàn)夾雜、疏松等材質(zhì)缺陷。斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2，擊針斷口的斷面光澤灰暗、高低不平，在宏觀上具有明顯的貝紋線特征，這些貝紋線呈同心圓狀，間距較大，并向瞬斷區(qū)彎曲，最終瞬斷區(qū)位于斷口中心偏一側(cè)，即同心圓狀貝紋線的“圓心”;擊針斷口宏觀上具有疲勞斷裂的特性，在斷面的邊緣上，可觀察到沿?cái)嗫谥芟蛴性S多條的臺(tái)階條紋且高度差大，同時(shí)向內(nèi)擴(kuò)展。瞬斷區(qū)面積較大，剪切唇較小。圖2中能清晰地看到疲勞源區(qū)、疲勞擴(kuò)展區(qū)和瞬斷區(qū)這3個(gè)疲勞斷口的宏觀組成部分。

圖1 斷口產(chǎn)生的位置Fig.1 Location of the fracture

1.2 工件斷口微觀觀察

圖2 斷口的宏觀形貌Fig.2 Macro appearance of the fracture

將擊針斷口表面油污洗去后放入掃描電鏡進(jìn)行觀察。斷口低倍形貌如圖3所示，可見(jiàn)裂紋源位于擊針螺紋槽的根部，源區(qū)高倍形貌，呈穿晶斷裂特征，斷口其他區(qū)域也均表現(xiàn)為穿晶斷裂特征。

圖3 工件表面一側(cè)的斷口低倍形貌Fig.3 Appearance of crack source zone in low magnification

圖4 試樣低倍組織Fig.4 Macrostructure of the tissue

1.3 工件裂紋斷口能譜成分分析

對(duì)裂紋源區(qū)、斷口中部及晶粒表面進(jìn)行能譜成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。由表1可知，由于裂紋源區(qū)最先開(kāi)裂，因而氧化程度相對(duì)其他區(qū)域稍嚴(yán)重。

表1 斷口表面能譜分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 1 Energy spectrum analysis results

1.4 工件金相檢測(cè)

對(duì)此火炮擊針進(jìn)行金相檢測(cè)。

1.4.1 工件的低倍檢測(cè)

在工件上截取低倍試棒，將低倍試棒的橫截面加工到粗糙度小于或等于1.6，然后將試樣置于75～80℃，1∶1的HCl溶液中酸蝕18 min，火炮擊針的低倍組織如圖4所示:一般疏松約為0.5級(jí)，未見(jiàn)有其他低倍組織缺陷存在;符合GJB 1951—94《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中關(guān)于45CrNiMoVA鋼棒低倍組織的驗(yàn)收要求。

1.4.2 非金屬夾雜物的檢測(cè)與分析

在工件中取樣，并按要求淬火后進(jìn)行非金屬夾雜物檢測(cè)，如圖5所示。按GB 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物顯微評(píng)定方法》進(jìn)行評(píng)定，火炮擊針的非金屬夾雜物級(jí)別為:A0.5，B0.5，C0.5，D0.5;火炮擊針?biāo)娩摪舻臐崈舳群芨撸?—4］，符合 GJB 1951—94《航空用優(yōu)質(zhì)結(jié)構(gòu)鋼棒規(guī)范》中45CrNiMoVA非金屬夾雜物的驗(yàn)收要求。

圖5 試樣中非金屬夾雜物的形貌Fig.5 Appearance of non-metallic inclusion in the sample

1.4.3 工件的金相顯微組織檢測(cè)

在斷口附近和擊針心部截取金相試樣，進(jìn)行金相顯微組織分析，火炮擊針橫截面的微觀組織如圖6所示，斷口附近、裂紋源附近和火炮擊針心部的基體組織均為均勻、細(xì)小的回火托氏體，3個(gè)部位附近的組織無(wú)明顯區(qū)別，均屬于正常的熱處理組織。

圖6 試樣橫截面的微觀組織Fig.6 Microstructure of the cross section of the sample

1.5 硬度檢測(cè)

將斷口附近和擊針心部截取的金相試樣進(jìn)行拋光處理，按GB 231.1—2009《金屬布氏硬度試驗(yàn)第一部分:試驗(yàn)方法》的要求進(jìn)行布氏硬度檢測(cè)，斷口源區(qū)HB值為397，斷口中部HB值為402，斷口邊緣HB值為397。按GB 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》進(jìn)行換算，其抗拉強(qiáng)度在1370～1400 MPa之間，具有較高的強(qiáng)度。

1.6 回火脆性侵蝕試驗(yàn)

在火炮擊針斷口附近制取金相試樣，金相試樣經(jīng)研磨拋光后于回火脆性侵蝕劑飽和苦味酸酒精溶液中侵蝕，結(jié)果如圖7所示。從圖7可看出，火炮擊針斷口的附近未出現(xiàn)黑灰色網(wǎng)狀組織。

1.7 化學(xué)成分分析

從遠(yuǎn)離火炮擊針斷口的部位取樣，對(duì)擊針的化學(xué)成分進(jìn)行分析，分析結(jié)果如表2所示。從表2可看出，火炮擊針的化學(xué)成分符合工藝的要求。

圖7 脆性侵蝕劑侵蝕后試樣的顯微組織Fig.7 Microstructure of the sample after corrosion

表2 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）Table 2 Chemical composition analysis results

2 分析與討論

1）45CrNiMoVA鋼屬于中碳高強(qiáng)度低合金結(jié)構(gòu)鋼，從其“C”曲線上可知:因?yàn)閵W氏體的珠光體、貝氏體轉(zhuǎn)變具有較大的孕育區(qū)，鋼的臨界冷卻速度降低，使鋼具有較好的淬透性，甚至在正火狀態(tài)下也可以獲得馬氏體組織，因此該鋼徑淬火、中溫回火后可獲得高的強(qiáng)度和一定的韌性。該鋼與其他中碳合金結(jié)構(gòu)鋼相比存在較高的碳量，并含有碳化物形成元素 Cr，Mo，V，而且其中 Cr與 Ni之比近似 1∶2，因此該鋼具有良好的淬透性，鋼中的鎳元素還可以強(qiáng)化鐵素體，從而提高鋼的強(qiáng)度和韌性，尤其對(duì)鋼的低溫沖擊韌性更為有利，含Cr，Ni的鋼中加入0.20～0.30%的Mo可以有效地抑制回火脆性。V的加入，可以形成VC，在提高強(qiáng)度的同時(shí)，起到細(xì)化晶粒的作用，因此該鋼在淬火、中溫回火后獲得的回火托氏體組織極為細(xì)密，具有良好綜合力學(xué)性能，尤其是具有較高的彈性性能和疲勞性能，所以該鋼非常適于制造火炮擊針，在正常加工、熱處理?xiàng)l件下，擊針應(yīng)不會(huì)在打炮過(guò)程中出現(xiàn)斷裂。

2）火炮擊針在使用中產(chǎn)生斷裂，其原因有以下幾種可能:原材料材質(zhì)缺陷;熱處理工藝不完善;設(shè)計(jì)和加工缺陷;使用環(huán)境存在腐蝕介質(zhì)。從金相檢測(cè)可看出，心部及斷口周圍組織均為均勻、細(xì)小的回火托氏體，沒(méi)有產(chǎn)生類似的淬火軟斑，屬正常的熱處理組織，所以斷口的產(chǎn)生應(yīng)與淬火溫度及淬火介質(zhì)無(wú)關(guān)。若斷裂的原因是淬火過(guò)程中存在一定程度的超溫，導(dǎo)致晶界弱化，則斷口附近組織應(yīng)出現(xiàn)晶界熔化、寬化和組織粗大等過(guò)熱或過(guò)燒特征，但從斷口上的晶粒大小和斷口附近的金相組織來(lái)看，晶粒和組織均勻細(xì)小，未見(jiàn)明顯粗大，所以可排除淬火過(guò)程中存在一定程度的超溫，導(dǎo)致晶界弱化的可能。通過(guò)回火脆性浸蝕檢測(cè)可以得出:熱處理后的火炮擊針沒(méi)有明顯的回火脆性，因此火炮擊針的斷裂應(yīng)與熱處理工藝無(wú)關(guān)。通過(guò)低倍檢測(cè)、非金屬夾雜物檢測(cè)、原材料的化學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)可以看出:原材料的化學(xué)成分、硬度、非金屬夾雜物、低倍組織均符合要求，原材料的潔凈度高、力學(xué)性能較佳，材質(zhì)優(yōu)良，可以排除材質(zhì)缺陷引起火炮擊針斷裂的可能性。通過(guò)宏觀觀察和微觀檢測(cè)可知:火炮擊針斷口的斷面上也無(wú)明顯材質(zhì)缺陷，這進(jìn)一步說(shuō)明了原材料的材質(zhì)正常，擊針斷裂應(yīng)與原材料材質(zhì)無(wú)關(guān)。

3）擊針斷口在宏觀上具有明顯的貝紋線特征，這說(shuō)明擊針斷口宏觀上具有疲勞斷裂的特性;斷口周向存在許多條臺(tái)階條紋，貝紋線呈同心圓狀、向瞬斷區(qū)彎曲，最終瞬斷區(qū)位于斷口中心偏一側(cè)，即同心圓狀貝紋線的“圓心”，說(shuō)明斷口屬典型的多源疲勞斷口。疲勞斷口上的臺(tái)階是由不同位置生核的微裂縫互相匯合而成的，擊針臺(tái)階數(shù)目多，這說(shuō)明在擊針很多位置都同時(shí)達(dá)到了生成微裂縫的條件，所以擊針斷裂過(guò)程中所受的應(yīng)力較大［5—11］。貝紋線的密度較稀、疲勞源及疲勞破斷區(qū)色澤灰暗和粗糙度較大，則進(jìn)一步說(shuō)明擊針螺紋處受到的應(yīng)力和過(guò)載很大。裂紋源產(chǎn)生于螺紋槽根部R處，由于圓角較小，螺紋槽根部加工無(wú)圓弧過(guò)渡，相當(dāng)于存在線性缺口，形成了較大應(yīng)力集中，故多個(gè)疲勞源在轉(zhuǎn)角處多重萌生，同時(shí)由表面向里擴(kuò)展，最終使瞬斷區(qū)形成在中部。擊針的頸部存在較深的加工刀痕，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中，由于機(jī)加時(shí)頸部留下較深的刀痕，且R角較小，故擊針使用過(guò)程中，在刀痕處會(huì)產(chǎn)生明顯的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在外圓產(chǎn)生多疲勞源裂紋，引起早期疲勞斷裂［8—16］。

4）火炮擊針螺紋槽根部轉(zhuǎn)角處長(zhǎng)期接觸發(fā)射藥發(fā)射后產(chǎn)生的高溫氣體生成物，發(fā)射藥形成的氣體對(duì)火炮擊針具有腐蝕作用。由于螺紋槽根部R轉(zhuǎn)角處存在表面缺陷，其周圍組織耐發(fā)射藥氣體的腐蝕性必然較差，腐蝕會(huì)導(dǎo)致?lián)翎樎菁y槽根部轉(zhuǎn)角處出現(xiàn)點(diǎn)蝕坑。同時(shí)由于火炮擊針螺紋齒和螺紋根部轉(zhuǎn)角處應(yīng)力較大，而該處表面出現(xiàn)的點(diǎn)蝕坑破壞了該處的表面完整性，形成了較大的應(yīng)力集中，導(dǎo)致在點(diǎn)蝕坑處萌生了早期疲勞裂紋。

3 結(jié)論

1）擊針斷裂為早期疲勞斷裂，是在打炮時(shí)受到反復(fù)沖擊載荷作用產(chǎn)生的。

2）引起擊針疲勞斷裂失效的原因主要有兩方面:一是螺紋槽根部R較小，產(chǎn)生了明顯的應(yīng)力集中;且該處機(jī)加工比較粗糙，刀痕較深，進(jìn)一步加劇了應(yīng)力集中。另一個(gè)原因是發(fā)射藥形成的高溫氣體對(duì)火炮擊針螺紋槽根部有腐蝕作用。

避免擊針斷裂，需要改善設(shè)計(jì)和機(jī)加工操作技能，一是要保證R不能太小，截面過(guò)渡應(yīng)平滑自然;二是改進(jìn)機(jī)加工水平和能力，確保擊針頸部不出現(xiàn)明顯的機(jī)加工刀痕，以降低擊針頸部的應(yīng)力集中。

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