彈性鋼墊圈斷口裂紋失效分析

某彈性墊圈，材料65Mn，鍍鋅處理。墊圈在使用時(shí)發(fā)現(xiàn)斷裂失效，取斷裂墊圈4件和完好墊圈2件進(jìn)行分析。

彈性墊圈斷裂件，斷裂為幾節(jié)，斷裂件宏觀形貌見(jiàn)圖12-10。

圖12-10 斷裂墊圈宏觀形貌

在所取斷裂彈性墊圈4件試樣中，取斷裂墊圈2件進(jìn)行斷口分析。

4件斷裂墊圈取2件斷口分析后還有2件，把余下的2件斷裂墊圈和完好墊圈2件分別進(jìn)行編號(hào)，編號(hào)為1、2、3、4號(hào)，編號(hào)后進(jìn)行顯微硬度及顯微組織試驗(yàn)比較。

（1）斷口宏觀與微觀形貌分析

對(duì)2件斷裂墊圈進(jìn)行斷口宏觀與微觀形貌分析，2件斷裂墊圈的斷口形貌基本相同，宏觀與微觀檢查也基本相同。

斷口宏觀檢查：斷口低倍形貌無(wú)明顯塑形變形，存在放射狀條紋，可觀察到明顯晶界撕裂棱，屬脆性斷裂特征，沿放射狀條紋逆向可找到裂紋源（圖中所圈區(qū)域），見(jiàn)圖12-11。

                  圖12-11 宏觀斷口形貌

斷口掃描電鏡微觀檢查：掃描電鏡微觀斷口形貌為沿晶脆性解理斷裂,具有氫致沿晶開(kāi)裂的典型特征，見(jiàn)圖12-12（a、b）、圖12-13（c、d、e）。

圖12-12中：(a) 顯示斷口沿材料晶界面發(fā)生斷裂，呈明顯沿晶斷裂特征，屬于脆性斷裂；  

(b) 為局部放大圖，斷裂晶面上存在明顯解理臺(tái)階及河流狀花樣;

圖12-13中：(c) 為斷裂墊圈斷裂源微觀形貌；

           (d) 能清晰地看到每個(gè)晶粒的多面體形貌，類(lèi)似于冰糖塊的堆集，在高倍下可觀察到斷開(kāi)晶面上存在發(fā)紋、雞爪紋及顯微孔洞；

(e) 箭頭所指，這是氫致沿晶開(kāi)裂斷口的典型特征。

圖12-12（a、b）    斷口微觀形貌

圖12-13  (c、d、e)斷口微觀形貌

（2）顯微硬度檢查

對(duì)編號(hào)為1、2、3、4號(hào)樣品進(jìn)行顯微硬度檢查，從截面中心開(kāi)始每間隔0.5mm進(jìn)行顯微硬度分布梯度測(cè)試。

顯微硬度檢查結(jié)果，顯微硬度分布基本均勻，顯微硬度375～450HV，其中3號(hào)表面略低一些，硬度梯度圖見(jiàn)12-14。

根據(jù)彈性墊圈技術(shù)要求，硬度標(biāo)準(zhǔn)范圍為380～480HV；硬度總體上處于技術(shù)要求中、下限范圍內(nèi)。

圖12-14   硬度梯度圖

（3） 顯微組織檢查

對(duì)1～4號(hào)試樣進(jìn)行顯微組織檢查， (其中a為1號(hào)樣，b為2號(hào)樣，C為3號(hào)樣，d為4號(hào)樣)。

1～4號(hào)樣品組織無(wú)明顯區(qū)別，為回火屈氏體＋少量塊狀鐵素體，見(jiàn)圖12-15。

圖12-15 （a、b、c、d）   1～4號(hào)樣金相組織    500×

（4） 化學(xué)成分分析

對(duì)斷裂件進(jìn)行化學(xué)成分分析，化學(xué)成分符合65Mn的技術(shù)要求。

（5）氫含量檢測(cè)

對(duì)斷裂件進(jìn)行氫含量檢測(cè), 螺栓氫含量為7.90ppm。

斷裂件化學(xué)成分結(jié)果符合65Mn的技術(shù)要求； 金相組織檢查，1～4號(hào)樣品組織無(wú)明顯區(qū)別，均為回火屈氏體＋少量塊狀鐵素體；斷裂件和完好件整體硬度都在技術(shù)要求中、下限范圍內(nèi)，說(shuō)明該批產(chǎn)品材料和熱處理沒(méi)有問(wèn)題。

斷裂件的氫含量檢測(cè)結(jié)果為7.90ppm，說(shuō)明該批產(chǎn)品氫含量較高。該批產(chǎn)品鍍鋅處理，鍍鋅處理后要除氫，較高的氫含量反映了除氫不好。墊圈存在較高的氫含量，墊圈在使用過(guò)程中受到一定的應(yīng)力作用，在應(yīng)力作用下發(fā)生氫致脆性斷裂。

根據(jù)以上分析，可以得出如下結(jié)論與啟示：

(1) 墊圈斷裂失效的原因?yàn)闅渲麓嘈詳嗔选?/span>

(2) 由于墊圈除氫不充分，存在較高的氫含量，在工作應(yīng)力作用下產(chǎn)生氫致脆性斷裂。

(3) 65Mn彈性墊圈最好不要鍍鋅處理，如果鍍鋅處理，一定要及時(shí)和采用較長(zhǎng)時(shí)間的除氫。