您當前的位置：檢測資訊 > 檢測案例
嘉峪檢測網 2020-12-08 09:24
1 、 研究背景
鋼中非金屬夾雜物、氣孔在軋制和拉拔過程中隨著金屬的變形伸長而形成發紋。發紋是金屬材料中較為常見且很難避免的一種缺陷，已有工程經驗表明，含發紋結構在應力作用下可能于發紋缺陷處萌生裂紋，導致成型過程開裂廢品率上升或降低零部件使用壽命，甚至導致斷裂失效事故的發生。對于對表面完整性要求越高的關鍵承力結構（如車軸、齒輪）發紋的危害越顯著，因此在諸如鐵路、航空、航天等對產品可靠性要求很高的工業領域，發紋缺陷的檢驗與控制受到越來越多的關注，如GJB1951-94“航空用優質結構鋼棒規范”中就提出采用塔形試樣檢查發紋。
當前的研究更多集中在對發紋缺陷產生原因與控制方法以及發紋缺陷的檢測控制方面，如冶煉、鑄造工藝方法的優化，磁粉等無損檢測與判斷方法的改進，但對發紋缺陷的具體表現形式及其可能引發的危害方面未見集中報道。本文通過對幾個典型失效案例的介紹，從中總結并闡述發紋的特點與危害性，不但有助于提高設計人員對發紋危害性的認知，也可為發紋缺陷的檢測評價提供更直觀的借鑒。
2 、 主要研究工作
1）0Cr17Ni4Cu4Nb鍛件超聲檢測缺陷顯示
0Cr17Ni4Cu4Nb不銹鋼經過下料Φ130mm→鍛造→固溶熱處理，最終進行超聲波檢測，發現46件鍛件中有16件存在內部缺陷。對缺陷顯示區進行磨拋觀察，缺陷呈鏈狀，鏈的兩側分布較多的黑色質點（圖1）。缺陷內部除黑色渣狀物質外還存在較多的多面體顆粒（圖2）。缺陷內物質組成接近，氧含量均較高，所含元素與鍛件基體完全不同，應為外來物質。渣狀物內含有元素Ce和Ca，而多面體顆粒含有元素V。分析結果表明，不銹鋼鍛件內部存在發紋缺陷，長度方向與鍛件長邊近似平行，產生超聲缺陷信號。
圖1 鍛件超聲檢測顯示部位發紋缺陷
圖2 缺陷區內容物微觀形貌
2）1Cr17Ni2傳動軸磁痕缺陷顯示
傳動軸機加后進行磁粉檢測，發現在軸桿表面存在軸向磁痕顯示。磁粉顯示出現在傳動軸的光桿部位，沿軸向，將傳動軸垂直磁痕切開，對截面磨制拋光后進行檢查，發現在磁痕顯示部位存在一條形缺陷（圖3）。在掃描電鏡下觀察，缺陷中段相對較寬，而兩側較細，多分叉，內部布滿夾雜物，夾雜物主要由鋁和鎂的氧化物構成。分析結果顯示，傳動軸近表面層存在沿軸向分布的含鋁、鎂氧化物的發紋缺陷，導致磁痕顯示的出現。
(a)傳動軸
(b)橫截面缺陷
(c)缺陷微觀形貌
圖3 傳動軸磁痕顯示部位發紋缺陷
3）1Cr18Ni9Ti鋼棒加工缺陷顯示
將Φ100mm鋼棒鋸切成20個Φ100×30mm圓餅，機加工過程中發現該20片圓餅均在相近位置存在線狀缺陷顯示，缺陷位于距離外圓約10～20mm范圍內（圖4）。
圓餅外緣加工斜面的缺陷近似呈直線狀，寬窄不一，呈灰色；微觀可見該缺陷由多個小的損傷區組成，這些損傷區表面可見剪切韌窩和刮擦痕跡，可見細小顆粒狀物質，說明這些“面狀”損傷應該出現在機加工過程中。缺陷起始區存在明顯顆粒鑲嵌物，該物質中除了C、O非金屬元素以及少量Al、Si、Ti、V金屬元素外，合金元素Mn、Cr的含量遠遠超出1Cr18Ni9Ti合金正常范圍（圖5）。
分析結果顯示，1Cr18Ni9Ti鋼棒的次表面存在兩條軸向分布的連續發紋缺陷，其在鋼棒橫向切割時被截成多節；缺陷由大量高O、Mn、Cr元素的顆粒氧化物組成，顆粒氧化物作為硬質顆粒，在機械加工中受刀具拖動刮傷金屬表面，形成“面狀損傷區”，在光亮加工表面中得以突出顯示。
（a）缺陷位置
（b）缺陷宏觀形貌
（c）缺陷微觀形貌
圖4 鋼餅加工表面發紋缺陷
（a）縱截面
（b）缺陷附近元素分布
圖5 鋼餅缺陷縱向形態與元素分布
4）30CrMnSiA氣瓶組合體管嘴氣體泄漏失效
96件氣瓶組合體進廠復驗時發現兩件質量減輕。對其進行氣密性檢查，確定為管嘴處漏氣所致。管嘴用材為30CrMnSiA高強度鋼，原材料為電渣鋼棒。漏氣部位表面存在兩圓點狀缺陷，縱向磨拋觀察顯示線狀缺陷為縱向穿透性缺陷（圖6），該缺陷是導致漏氣的直接原因。電鏡觀察與能譜分析顯示，缺陷充滿夾雜物，其中含有O、Si、Al、Mn，還含有微量的Ca、Mg、Ti元素，應為Si、Al、Mn、Ca、Mg和Ti的復合氧化物（圖7）。分析結果顯示，該缺陷為夾渣物沿著鍛造加工方向變形形成發紋缺陷，該夾渣物的成分應與氣瓶裝藥管嘴原材料——電渣鋼棒材冶煉所采用的渣體系和脫氧劑相一致。
（a） 宏觀外觀
（c）孔內
圖6 氣瓶組合體管嘴泄漏處發紋缺陷
圖7 管嘴發紋缺陷內部形貌
5）電磁閥閥體氣體泄漏失效
60件電磁閥做密封性檢查時發現有兩件出現氣體泄漏現象。閥體-線圈架由內、外軟磁合金GYJ130閥體和1Cr18Ni9Ti隔圈三部分電子束焊接而成。閥體低倍未發現明顯異常，在掃描電鏡下觀察發現焊縫外圍GYJ130軟磁合金閥體表面聚集分布的點狀、短線狀缺陷，內部包裹著顆粒物，在縱向剖面中也可以觀察到類似缺陷（圖8），內部包裹物含有較高的O、Al元素。失效分析顯示，此類材料出現過多起發紋引起的漏氣失效問題。
（a）泄漏位置
（b）橫截面上的微觀缺陷外觀
（c）縱向截面上的微觀缺陷外觀
圖8 電磁閥閥體短發紋缺陷
3 、分析與討論
1）發紋常見形態與特點
發紋的宏觀形態與走向可以具有特定規律。一般工程上將金屬中氣泡和夾雜物隨金屬變形而被拉伸伸長后的缺陷形態稱為發紋。發紋一般不太長，但少數長度可達100mm以上，有的甚至可貫通整個工件，如案例三中發紋延伸超過20片金屬盤厚度總和。發紋宏觀形態多以斷續或連續的線狀出現，并沿變形方向分布，甚至有人認為發紋就是指近似一維分布的線狀夾雜類缺陷。但通過前面介紹的案例1、2可以發現，發紋除了近似線狀的一維形態外，還存在片狀的二維分布形態，即有時發紋具有一定寬度以及較小的長寬比。此時發紋在不同截面上有著不同的走向與外形輪廓，通過相交面拋光觀察和微觀組成物分析可以確認為同一缺陷。此外，當二維缺陷長寬比很小時，有時甚至呈現面狀缺陷形態，如案例三中加工表面上的發紋缺陷，這只是剖切面與片狀缺陷小角度相切的結果。此時，發紋走向開始偏離宏觀變形方向，但宏觀統計規律仍沿主變形方向。發紋常見形態見圖9。
（a） 線性圖案 （b）二維片狀圖案 （c）三維平面圖案（缺陷平面與截面的小角度相交）
圖9 發紋常見形態示意圖
發紋微觀形態除了遵循大長寬比的基本輪廓外，細節特征各異。常見發紋缺陷類似裂紋形態，但閉合性差、兩端輪廓匹配性低，末端圓鈍，多含有內容物，這是發紋與裂紋的幾點主要區別。因形成發紋的原始缺陷與內容物不同，發紋的微觀形態也呈現不同特征：首先，有氣孔、氣泡類孔洞缺陷變形形成的發紋，其典型特征為有一定直徑的孔洞，直徑較均勻、走向平直，很少分叉；內壁多褶皺，內容物少，案例四中發紋具有一定此類缺陷特點。其次，還有夾雜物、夾渣和氧化皮等缺陷在變形中拉長、破碎、變形形成的發紋。引起發紋的非金屬夾雜物，在一般鋼中多為硫化物、硅酸鹽及鏈狀分布的氧化物，在不銹鋼中多為氮化物。此類發紋典型特征為縫隙較寬、邊緣輪廓極不規則，多伴生發紋或夾雜，有時多分叉。內容物因組分、成因不同形態各異：夾雜物與普通夾雜基本一致，夾渣則呈團聚的渣狀物，伴生尖晶石結構。氧化皮類則內容物致密，缺陷兩側多彌散的氧化物夾雜，案例2、案例3具有此類發紋特征。
2）發紋的常見危害
根據前面失效案例的總結，發紋可能引發的危害主要包括：
（1）發紋可能成為宏觀裂紋源引發結構破壞。一般情況下發紋對材料的機械性能無顯著影響，但工件中存在較大發紋并且處于高應力區，工件局部晶格扭曲引起較大的應力和應力集中，極易成為產生疲勞裂紋的裂紋源。工程上對發紋的危害性認識主要集中于此，這是發紋最常見的一種不利影響，危害也更為直觀。如火車軸類部件的早期疲勞源一般起始于其表面的發紋處、高錳鋼板冷折開裂起源于次表面的發紋缺陷處。而對于民用大型鍛件，發紋等細小缺陷可能導致整件的報廢，前期工藝付出付諸東流。
（2）超聲、磁粉檢測中導致偽裂紋顯示。超聲、磁粉等無損檢測方法已經成為當前金屬產品缺陷檢驗的主要手段，其最主要的目的是篩除帶裂紋產品。而表面、淺表面發紋缺陷也會產生磁痕顯示，內部面狀二維發紋則可能引起超聲波信號的變化。GJB 10121-2008《鋼材塔形發紋磁粉檢測方法》就是利用上述特性來顯示發紋缺陷，但由于發紋與裂紋在磁痕顯示判斷上難度很大，必然增加疑似裂紋工件的比例，并且滲透、磁粉、解剖等多種檢測手段想配合，不但增加解剖驗證分析成本，對于關重部件甚至可能導致批次判廢，形成造成重大損失。
（3）形成不可接受的表面缺陷。航空、航天產品為了保證精密配合、表面抗疲勞性能，民用產品為了視覺美觀，很多都采用精加工、超精加工和表面裝飾鍍層，較寬發紋、特別是與加工面小角相切的發紋會在加工表面產生無法接受的缺陷顯示。如同案例三一樣，這種缺陷一方面會破壞工件表面完整性、一致性從而導致特定功能喪失，如引起密封面配合失嚴而泄漏失效，滾動面異常磨損失效等；另一方面會影響產品外觀，如裝飾鍍表面的瑕疵，都會造成大量浪費。
（4）穿透性發紋缺陷導致密封結構泄漏失效。案例四和案例五均為發紋導致容器泄漏失效的典型例子，當鋼棒中存在氣孔類形成的發紋缺陷時，泄漏更容易、更早的發生；發紋為夾雜物類時，由于缺陷的斷續性不同、內容部緊密程度差異，泄漏程度要輕得多，甚至會表現出一定的滯后性，特別是很多情況下由于漏檢過程加壓時間較短，泄漏問題很難被發現，問題器件可能進入系統，這對于需要長時間保持穩定壓力的航空、航天器的特殊部件來說，發紋導致泄漏問題潛在的危害性難以估計。
同時，發紋導致泄漏由于泄漏點小、缺陷多，很難進行準確的失效原因定位，失效分析難度極大。發紋在原材料鋼棒中的分布隨機，具有偶然性，即便根據相關標準對每批材料的發紋情況進行檢查仍不能排除其局部存在發紋的可能性，當恰好存在發紋且沿著壁厚方向穿透，氣體就可能出現緩慢泄漏。由此可見，采用化學成分控制、精煉渣控制、夾雜物變形處理等方法，在冶煉、鑄造過程中盡量消除發紋缺陷，并提高發紋自身和相關危害性檢測能力是預測此類問題的關鍵。
4 、結束語
通過對5個由發紋引發失效的不同案例進行簡要分析，討論發紋缺陷的常見表現形式與工程危害，分析認為，發紋缺陷雖然早已被人們發現和認知，但其在材料中的表現形式多樣，即有近一維線狀形態也有二維片狀形態，甚至在小角度切面上可以呈現三維缺陷形態；即有斷續、連續分布走向一致的長發紋，也有粗短、隨機分布的短發紋。發紋的微觀表現形式和內容物也不盡相同，檢驗判斷技術上存在一定困難。應當從發紋的起源物和形成過程來判斷其性質，簡單的經驗理解容易造成分歧。只有對發紋的表現形式進行細致研究，才能更為準確的判斷發紋成因，針對性的提出預防措施和檢驗評價方法。
發紋缺陷常見的危害除眾所周知的促進裂紋萌生外，還體現在引發無損檢測偽裂紋顯示、形成不可接受表面缺陷、導致密封結構泄漏失效等諸多方面。本文僅就有限幾個案例對其危害性進行部分歸納，而只有通過不斷總結積累才能更為充分的認知發紋缺陷可能帶來的工程危害，從而在結構設計初期失效危害性分析時就加以考慮，提出必要的材料與檢驗要求，才能更好的提高產品的質量和可靠性。
通訊作者：姜濤，中國航發北京航空材料研究院，高級工程師，主要從事金屬材料失效分析等方面的研究。
引用文章：姜濤,張兵,王智,等. 從失效案例中探討發紋缺陷的常見表現及危害[J]. 失效分析與預防,2020,15(4):276-272.
來源：Internet
