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0Cr12Mn5Ni4Mo3Al是我國開發的一種新型半奧氏體型和節鎳控制相變沉淀硬化不銹鋼,該牌號在固溶狀態下組織為奧氏體,具有良好的韌性及加工成形性能,經過適當冷變形、冷處理以及時效后,組織轉變為馬氏體+沉淀強化相,可獲得很高的強度。該牌號由于其具有高強度、優良的耐蝕性,在航空、航天等行業得到了廣泛應用,被用于生產各類緊固件。

本文針對某批材料為0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼、內孔直徑為3mm的波形彈性墊圈,在裝配后發現多件存在斷裂現象,因此對斷裂件進行斷口、力學性能和顯微組織分析,并與完好件人工斷口比對分析等,查找斷裂原因。

一、分析過程及結果

1.1 斷口分析

對斷裂件進行宏觀和微觀斷口分析,斷口形貌如圖1所示。

圖1 斷口宏觀形貌和微觀形貌

圖1顯示了波形墊圈的斷裂特征。斷裂部位在墊圈中部,呈對半斷裂特征,斷口邊緣擦傷較為嚴重。裂紋源區位于墊圈表層,斷面較為粗糙,呈纖維狀特征。裂紋源區呈黑色疏松狀,能譜分析氧元素含量較高,擴展區與瞬斷區主要以韌窩為主。

對該批未斷裂件墊圈進行人工打斷,觀察其斷口形貌,如圖2所示。斷口均為韌窩特征,韌窩呈拉長形貌,表層無黑色疏松層。

圖2 人工打斷斷口形貌

1.2 力學性能驗證

對斷裂件及完好件進行硬度檢測,結果見表1。斷裂件與完好件硬度值較為接近,僅相差9HV。

表1 維氏硬度試驗結果 (HV)

對同批次完好件,依據墊圈技術條件要求進行彈性試驗,結果見表2。由表2可見,試驗結果均符合技術條件要求。

表2 彈性試驗結果

1.3 金相檢查

對斷裂件及完好件進行金相檢驗,具體結果如圖3所示。

a)斷裂件(500×) b)完好件(500×)

圖3 顯微組織對比

由圖3可知,斷裂件與完好件組織相同,均為馬氏體+殘留奧氏體+沉淀相,未發現過熱、過燒等冶金缺陷。

1.4 完好件外觀觀察

對同批次剩余完好件進行外觀觀察,24件中發現1件在變形波峰處存在微觀裂紋,說明該批墊圈表面存在原始裂紋,具體裂紋形貌如圖4所示。

圖4 完好墊圈裂紋形貌(45×)

二、分析與討論

通過對斷裂件斷口分析,斷口主要呈韌窩形貌,裂紋源位于表層,裂紋向內部延伸;顯微組織為馬氏體+殘留奧氏體+沉淀相,未發現過熱、過燒現象;通過觀察同批完好件外觀形貌,發現24件中有1件存在裂紋,且裂紋延伸方向垂直于墊圈內外圓。

波形彈性墊圈加工工藝流程為備料(冷軋態)→沖裁成形→熱處理→堿煮→滾光→表面處理→包裝,由于該墊圈原材料為冷軋態,0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不銹鋼冷作硬化傾向大,在沖裁成形過程中,個別件在最大變形處(波峰或波谷)產生表面微裂紋,在熱處理過程中微裂紋表面被氧化。在裝配過程中裂紋受拉伸作用力而擴展,裝配后受持久作用力,裂紋進一步擴展直至斷裂。

三、結束語

該批波形彈性墊圈,在安裝后檢查中發現斷裂:

1)斷裂形式為韌性過載斷裂。

2)由于原材料為冷軋態,強度較高,墊圈在沖裁成形時,在變形最大處(波峰或波谷)形成裂紋。

3)建議適當降低原材料強度,并優化墊圈沖裁工藝,合理設置彎折參數。

作者:郭先闖,李曉峰,陳小平

單位:河南航天精工制造有限公司


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不銹鋼波形彈性墊圈斷裂分析

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