鄭 洪， 林文欽， 楊元熙， 徐心潔， 鄧 楓， 吳佳欣， 蔣洪俊

(航空工業(yè)成都飛機(jī)工業(yè)(集團(tuán))有限責(zé)任公司， 四川 成都 610091)

某產(chǎn)品試驗過程中發(fā)生異常，檢查發(fā)現(xiàn)前端吊耳斷裂。前端吊耳(后文簡稱吊耳)材料為30CrMnSiA合金，主要制造流程：車工→線切割→鉗工→線切割→檢驗→銑工、鉗工→檢驗→熱處理(表面吹細(xì)砂)→磁粉檢驗(100%檢)→鉗工、車工、銑工、鉗工→清洗→檢驗→熱處理(去應(yīng)力)→表面處理(鍍鋅)→成品檢驗；其中熱處理工藝卡片顯示，吊耳的熱處理參數(shù)：(890±10) ℃保溫90～120 min，油(20～70 ℃)冷；(520±20) ℃保溫70～90 min，水(≥60 ℃)冷，硬度要求為35～40 HRC。吊耳表面處理采用氰化鍍鋅，彩虹色鈍化，鍍層厚度要求為8～12 μm，該工序外包。本文對斷裂吊耳斷口宏微觀形貌、化學(xué)成分、顯微組織和硬度進(jìn)行了檢查，確定了斷裂性質(zhì)，并基于制造工藝對斷裂原因進(jìn)行了分析，最后提出了產(chǎn)品處置與后續(xù)預(yù)防措施。

1 試驗過程與結(jié)果

1.1 宏觀檢查

失效前端吊耳宏觀形貌如圖1所示，可見吊耳斷成兩部分，斷裂位置在吊耳吊環(huán)與螺栓桿部過渡臺階處，斷口附近無明顯塑性變形。對斷口進(jìn)行目視檢查，可見從表面萌生并向心部發(fā)散的斷裂棱線，桿部上斷面呈凸出錐面形狀，斷面中間存在一處與零件表面鍍層顏色相同的平面，吊環(huán)上斷口則為凹陷狀，中間有一孔洞；經(jīng)兩個斷面匹配，斷面中間形貌為裂紋裂穿至吊環(huán)底面產(chǎn)生的；斷面色澤為較均勻的暗灰色，干凈、整體較粗糙，除斷裂棱線外，還可見不同位置裂紋萌生后，在擴(kuò)展過程交匯形成的臺階和結(jié)晶顆粒狀形貌，如圖2 所示。

圖1 前端吊耳斷裂圖片

圖2 吊環(huán)(a)和螺栓桿部(b)斷口宏觀照片

1.2 微觀檢查

將失效件斷口切下,用掃描電鏡進(jìn)行微觀檢查，斷裂從表面起源，源區(qū)斷口形貌與其它區(qū)域基本相同。放大觀察，斷口形貌均為沿晶+準(zhǔn)解理，以沿晶為主，高倍下晶面可見“雞爪痕”狀的斷裂棱線；源區(qū)晶面較干凈，未見表面鍍層的滲入，也未見機(jī)械加工的損傷痕跡和氣孔、夾雜等冶金缺陷，如圖3所示。對斷口源區(qū)進(jìn)行能譜分析，分析結(jié)果主要為零件材料元素，且元素含量與零件材料30CrMnSiA合金基本一致，進(jìn)一步驗證了源區(qū)無表面鍍層的滲入，能譜分析結(jié)果如圖4所示。

圖3 斷裂前端吊耳斷口源區(qū)形貌

圖4 斷裂前端吊耳斷口源區(qū)能譜分析

1.3 金相檢查

在吊耳斷裂附近螺栓桿部沿橫向取樣制備金相試樣，拋光狀態(tài)下用光學(xué)顯微鏡對表面鍍鋅層厚度進(jìn)行測量，鍍層比較均勻，測得厚度為8.52～9.48 μm，滿足委托方告知的鍍層厚度8～12 μm的要求，如圖5所示。用體積分?jǐn)?shù)4%硝酸酒精腐蝕后對顯微組織進(jìn)行檢查，可見失效件組織為正常索氏體，表面未見脫碳現(xiàn)象，如圖6所示。此外，對吊耳吊環(huán)部位進(jìn)行顯微組織檢查，可見其表面存在晶間氧化和脫碳現(xiàn)象，氧化深度最大可達(dá)248.80 μm，如圖7所示。

圖5 斷裂前端吊耳表面鍍鋅層厚度

圖6 斷裂前端吊耳螺栓桿部表面(a)和心部(b)顯微組織

圖7 斷裂前端吊耳吊環(huán)表面晶間氧化形貌

1.4 硬度測試

在失效件、與失效件同批、同一產(chǎn)品上未斷和新制批桿部、吊環(huán)部位取樣進(jìn)行硬度測試，其中桿部測試位置為截面心部，吊環(huán)部位為垂直于外表面，測試結(jié)果如表1所示，可知4件試樣硬度結(jié)果均超過硬度范圍上限，不符合零件熱處理技術(shù)要求，其中以失效件硬度值最高，與失效件同一產(chǎn)品上但未斷的后段吊耳硬度值最低。同時，可見4件試樣吊環(huán)部位硬度均比桿部低，特別是失效件，兩次加工后硬度存在差異，第2次加工(磨)后的硬度明顯比第1次加工高，這與表面存在氧化層有關(guān)。

表1 前端吊耳硬度測試結(jié)果(HRC)

2 分析與討論

2.1 斷裂性質(zhì)

前端吊耳斷口微觀特征主要為沿晶脆性斷裂，且晶面可見“雞爪痕”狀的撕裂棱線形貌，屬典型的氫脆斷口特征[1]，故吊耳斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂。斷裂源區(qū)未見表面鍍層滲入，且斷口為一次性起源斷裂，說明斷裂前無原始缺陷存在。

2.2 斷裂條件

零件發(fā)生氫脆斷裂，必須具備3個條件：①氫的滲入。由吊耳表面鍍層能譜分析可知屬鍍鋅，存在氫滲入的工序。②吊耳材料為30CrMnSiA合金，熱處理后硬度為35～40 HRC，根據(jù)GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強(qiáng)度換算值》將硬度值換算成抗拉強(qiáng)度，為1336～1378 MPa，強(qiáng)度較高，具有氫脆敏感性。③存在拉應(yīng)力作用。吊耳所安裝的產(chǎn)品進(jìn)行地面試驗過程中，前端和后端兩個吊耳一同承受了產(chǎn)品自身質(zhì)量和所加介質(zhì)質(zhì)量形成的載荷，該載荷表現(xiàn)為沿吊耳軸向的拉應(yīng)力，且主要為線性增加的靜載荷。綜上分析，吊耳存在發(fā)生氫脆斷裂的條件。

決定其氫脆斷裂的主要因素為內(nèi)部H濃度和受力情況[2]。吊耳斷裂位置為吊環(huán)與桿部的臺階處，該位置具有應(yīng)力集中效應(yīng)，屬吊耳薄弱部位，在地面試驗加載過程中吊耳持久受力，使得氫原子在斷裂位置聚集，當(dāng)氫濃度達(dá)到一定值后，氫致附加應(yīng)力和外加應(yīng)力共同作用，導(dǎo)致吊耳氫脆斷裂。

2.3 原因分析

導(dǎo)致零件發(fā)生氫脆斷裂的內(nèi)部H濃度，主要與零件表面處理后除氫不徹底有關(guān)，零件強(qiáng)度(硬度)過高，會促進(jìn)氫脆的發(fā)生[3]。據(jù)HB/Z 318—1998《鍍覆前消除應(yīng)力和鍍覆后除氫處理規(guī)范》[4]的規(guī)定，“凡抗拉強(qiáng)度大于或等于1050 MPa的鋼制零件，鍍覆后都應(yīng)進(jìn)行除氫處理，且零件在鍍覆后應(yīng)盡快進(jìn)行除氫處理，鍍覆至除氫處理之間的間隔時間，對抗拉強(qiáng)度>1300 MPa的鋼制零件，不得超過4 h，除氫時間不小于23 h，≤1300 MPa 的鋼制零件，除氫間隔時間不得超過10 h，除氫時間不小于4 h。”對于用30CrMnSiA材料制造的零件，其熱處理后強(qiáng)度要求一般為(1175±100) MPa，按HB/Z 318—1998的規(guī)定，鍍鋅后至除氫處理之間間隔不得超過10 h、除氫時間不小于4 h即可，然而失效件吊耳零件本體實測的強(qiáng)度轉(zhuǎn)換值最高達(dá)1378 MPa，需在鍍鋅后間隔4 h內(nèi)除氫處理，且除氫時間不小于23 h，因此吊耳硬度過高不僅增加其氫脆敏感性，也可能導(dǎo)致表面處理鍍鋅后除氫處理工藝不當(dāng)。后經(jīng)查，該批零件鍍鋅后顯示除氫時間為4.5 h，未見鍍后至除氫的間隔時間，根據(jù)HB/Z 318—1998的規(guī)定，該除氫時間對失效零件是不當(dāng)?shù)摹３顺龤鋾r間外，鍍后至除氫的間隔時間，鍍鋅槽液是否進(jìn)行氫脆工藝控制試驗，電鍍前零件是否酸洗等環(huán)節(jié)的控制同樣會影響氫脆發(fā)生。

上述分析表明，吊耳發(fā)生氫脆斷裂與除氫不徹底有關(guān)，硬度偏高不僅增加零件氫脆敏感性，還誤導(dǎo)了除氫工藝，硬度偏高可能有以下原因：①熱處理工藝不當(dāng)。參照HB/Z 136—2000《航空結(jié)構(gòu)鋼熱處理工藝》[5]，可適當(dāng)提高回火溫度，以降低硬度；②檢驗缺失。吊耳熱處理采用箱式空氣電爐，且零件表面并未涂保護(hù)涂料，故零件熱處理后表面會產(chǎn)生氧化和脫碳現(xiàn)象，該現(xiàn)象造成零件表面硬度降低[6]；顯微組織檢查也證明氧化的存在，硬度測試要求零件桿部打磨深度≤0.2 mm，但該要求有誤，打磨深度應(yīng)大于某深度值，該要求導(dǎo)致打磨深度未能有效去除氧化層，造成硬度測試結(jié)果不真實，未能代表零件實際硬度值，同時零件硬度檢驗記錄顯示失效零件批次的硬度值分散性大，從技術(shù)要求下限值至上限值均有，進(jìn)一步說明測試時不同打磨深度的影響。

綜上分析，前端吊耳發(fā)生氫脆斷裂主要與表面鍍鋅處理后除氫不徹底有關(guān)，吊耳硬度超標(biāo)增加氫脆敏感性，也造成了除氫不當(dāng)。因失效件表面工序外包，該失效件也折射出在供應(yīng)商質(zhì)量控制上的不足，吊耳由供應(yīng)商提供，該供應(yīng)商不僅在自身零件熱處理環(huán)節(jié)硬度檢驗方法不當(dāng)，表面處理外包也未對次級供應(yīng)商處理過程進(jìn)行有效監(jiān)督，如未能提供鍍鋅后除氫間隔時間記錄、也無槽液氫脆工藝控制試驗，因上述熱處理及表面處理均屬特種工藝，采用過程控制，中間某環(huán)節(jié)的控制不當(dāng)會產(chǎn)生批次性、嚴(yán)重的后果，因此應(yīng)加強(qiáng)對供應(yīng)商特殊過程的確認(rèn)和質(zhì)量審核，包含次級供應(yīng)商。

3 結(jié)論及措施

1) 前端吊耳斷裂性質(zhì)為氫脆斷裂；吊耳氫脆斷裂與表面處理后除氫不徹底有關(guān)，零件強(qiáng)度過高促進(jìn)了氫脆的發(fā)生。

2) 因硬度超標(biāo)對氫脆的發(fā)生有潛在促進(jìn)作用，應(yīng)對存在硬度超標(biāo)的吊耳進(jìn)行更換。

3) 吊耳制造過程中存在硬度檢驗方法不當(dāng)、表面處理外包質(zhì)量控制缺失現(xiàn)象，應(yīng)對供應(yīng)商熱處理和表面處理工藝過程控制進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量審核。