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不锈钢波形弹性垫圈断裂分析

0Cr12Mn5Ni4Mo3Al是我国开发的一种新型半奥氏体型和节镍控制相变沉淀硬化不锈钢,该牌号在固溶状态下组织为奥氏体,具有良好的韧性及加工成形性能,经过适当冷变形、冷处理以及时效后,组织转变为马氏体+沉淀强化相,可获得很高的强度。该牌号由于其具有高强度、优良的耐蚀性,在航空、航天等行业得到了广泛应用,被用于生产各类紧固件。


本文针对某批材料为0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢、内孔直径为3mm的波形弹性垫圈,在装配后发现多件存在断裂现象,因此对断裂件进行断口、力学性能和显微组织分析,并与完好件人工断口比对分析等,查找断裂原因。


一、分析过程及结果


1.1 断口分析
对断裂件进行宏观和微观断口分析,断口形貌如图1所示。



图1  断口宏观形貌和微观形貌


图1显示了波形垫圈的断裂特征。断裂部位在垫圈中部,呈对半断裂特征,断口边缘擦伤较为严重。裂纹源区位于垫圈表层,断面较为粗糙,呈纤维状特征。裂纹源区呈黑色疏松状,能谱分析氧元素含量较高,扩展区与瞬断区主要以韧窝为主。

对该批未断裂件垫圈进行人工打断,观察其断口形貌,如图2所示。断口均为韧窝特征,韧窝呈拉长形貌,表层无黑色疏松层。



图2  人工打断断口形貌


1.2 力学性能验证
对断裂件及完好件进行硬度检测,结果见表1。断裂件与完好件硬度值较为接近,仅相差9HV。

表1  维氏硬度试验结果    (HV)



对同批次完好件,依据垫圈技术条件要求进行弹性试验,结果见表2。由表2可见,试验结果均符合技术条件要求。

表2  弹性试验结果



1.3 金相检查

对断裂件及完好件进行金相检验,具体结果如图3所示。



a)断裂件(500×)   b)完好件(500×)

图3  显微组织对比


由图3可知,断裂件与完好件组织相同,均为马氏体+残留奥氏体+沉淀相,未发现过热、过烧等冶金缺陷。

1.4 完好件外观观察
对同批次剩余完好件进行外观观察,24件中发现1件在变形波峰处存在微观裂纹,说明该批垫圈表面存在原始裂纹,具体裂纹形貌如图4所示。



图4  完好垫圈裂纹形貌(45×)




二、分析与讨论


通过对断裂件断口分析,断口主要呈韧窝形貌,裂纹源位于表层,裂纹向内部延伸;显微组织为马氏体+残留奥氏体+沉淀相,未发现过热、过烧现象;通过观察同批完好件外观形貌,发现24件中有1件存在裂纹,且裂纹延伸方向垂直于垫圈内外圆。

波形弹性垫圈加工工艺流程为备料(冷轧态)→冲裁成形→热处理→碱煮→滚光→表面处理→包装,由于该垫圈原材料为冷轧态,0Cr12Mn5Ni4Mo3Al不锈钢冷作硬化倾向大,在冲裁成形过程中,个别件在最大变形处(波峰或波谷)产生表面微裂纹,在热处理过程中微裂纹表面被氧化。在装配过程中裂纹受拉伸作用力而扩展,装配后受持久作用力,裂纹进一步扩展直至断裂。


三、结束语


该批波形弹性垫圈,在安装后检查中发现断裂:
1)断裂形式为韧性过载断裂。
2)由于原材料为冷轧态,强度较高,垫圈在冲裁成形时,在变形最大处(波峰或波谷)形成裂纹。
3)建议适当降低原材料强度,并优化垫圈冲裁工艺,合理设置弯折参数。

作者:郭先闯,李晓峰,陈小平

单位:河南航天精工制造有限公司

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