某弹性垫圈,材料65Mn,镀锌处理。垫圈在使用时发现断裂失效,取断裂垫圈4件和完好垫圈2件进行分析。
在所取断裂弹性垫圈4件试样中,取断裂垫圈2件进行断口分析。
4件断裂垫圈取2件断口分析后还有2件,把余下的2件断裂垫圈和完好垫圈2件分别进行编号,编号为1、2、3、4号,编号后进行显微硬度及显微组织试验比较。
(1)断口宏观与微观形貌分析
对2件断裂垫圈进行断口宏观与微观形貌分析,2件断裂垫圈的断口形貌基本相同,宏观与微观检查也基本相同。
断口宏观检查:断口低倍形貌无明显塑形变形,存在放射状条纹,可观察到明显晶界撕裂棱,属脆性断裂特征,沿放射状条纹逆向可找到裂纹源(图中所圈区域),见图12-11。
图12-11 宏观断口形貌
断口扫描电镜微观检查:扫描电镜微观断口形貌为沿晶脆性解理断裂,具有氢致沿晶开裂的典型特征,见图12-12(a、b)、图12-13(c、d、e)。
图12-12中:(a) 显示断口沿材料晶界面发生断裂,呈明显沿晶断裂特征,属于脆性断裂;
(b) 为局部放大图,断裂晶面上存在明显解理台阶及河流状花样;
图12-13中:(c) 为断裂垫圈断裂源微观形貌;
(d) 能清晰地看到每个晶粒的多面体形貌,类似于冰糖块的堆集,在高倍下可观察到断开晶面上存在发纹、鸡爪纹及显微孔洞;
(e) 箭头所指,这是氢致沿晶开裂断口的典型特征。
图12-12(a、b) 断口微观形貌
图12-13 (c、d、e)断口微观形貌
(2)显微硬度检查
对编号为1、2、3、4号样品进行显微硬度检查,从截面中心开始每间隔0.5mm进行显微硬度分布梯度测试。
显微硬度检查结果,显微硬度分布基本均匀,显微硬度375~450HV,其中3号表面略低一些,硬度梯度图见12-14。
根据弹性垫圈技术要求,硬度标准范围为380~480HV;硬度总体上处于技术要求中、下限范围内。
图12-14 硬度梯度图
(3) 显微组织检查
对1~4号试样进行显微组织检查, (其中a为1号样,b为2号样,C为3号样,d为4号样)。
1~4号样品组织无明显区别,为回火屈氏体+少量块状铁素体,见图12-15。
图12-15 (a、b、c、d) 1~4号样金相组织 500×
(4) 化学成分分析
对断裂件进行化学成分分析,化学成分符合65Mn的技术要求。
(5)氢含量检测
对断裂件进行氢含量检测, 螺栓氢含量为7.90ppm。
断裂件化学成分结果符合65Mn的技术要求;金相组织检查,1~4号样品组织无明显区别,均为回火屈氏体+少量块状铁素体;断裂件和完好件整体硬度都在技术要求中、下限范围内,说明该批产品材料和热处理没有问题。
断裂件的氢含量检测结果为7.90ppm,说明该批产品氢含量较高。该批产品镀锌处理,镀锌处理后要除氢,较高的氢含量反映了除氢不好。垫圈存在较高的氢含量,垫圈在使用过程中受到一定的应力作用,在应力作用下发生氢致脆性断裂。
根据以上分析,可以得出如下结论与启示:
(1) 垫圈断裂失效的原因为氢致脆性断裂。
(2) 由于垫圈除氢不充分,存在较高的氢含量,在工作应力作用下产生氢致脆性断裂。
(3) 65Mn弹性垫圈好不要镀锌处理,如果镀锌处理,一定要及时和采用较长时间的除氢。