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《寶鋼技術(shù)》2016年第3期

摘要:

通過(guò)金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜等手段分析了某汽車(chē)排氣管用掛鉤疲勞斷裂失效的原因。結(jié)果表明，排氣管掛鉤斷裂位于焊接接頭附近，腐蝕疲勞起源于掛鉤表面的點(diǎn)蝕坑，點(diǎn)蝕由氯離子和吸氧腐蝕共同作用引起。排氣管掛鉤在使用過(guò)程中承受著交變應(yīng)力的作用，裂紋由點(diǎn)蝕坑逐漸擴(kuò)展直至穿透管壁。焊縫附近的斷口處發(fā)現(xiàn)明顯的疲勞輝紋、疲勞臺(tái)階、二次裂紋、晶間腐蝕以及一些腐蝕產(chǎn)物等，遠(yuǎn)離焊縫處只有典型的疲勞輝紋和光亮磨痕，整個(gè)疲勞斷裂過(guò)程由腐蝕疲勞向機(jī)械疲勞逐漸轉(zhuǎn)變，直至斷裂。

關(guān)鍵詞:

腐蝕疲勞;疲勞失效;鐵素體不銹鋼;排氣管掛鉤

鐵素體不銹鋼是一種經(jīng)濟(jì)型不銹鋼，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性，可以作為汽車(chē)排氣管掛鉤用鋼。掛鉤一方面要承受排氣管的振動(dòng)，另一方面要受排氣管溫度的影響和北方道路含有大量氯離子的雪鹽的影響。材料的腐蝕疲勞是指材料在腐蝕介質(zhì)和疲勞載荷共同作用下的損傷破壞行為，其影響因素包括環(huán)境因素、冶金因素和力學(xué)等多方面。金屬材料在這種交變載荷和腐蝕環(huán)境共同作用下抗疲勞斷裂能力明顯下降，具有較大的危害［1－2］。李志義等［3］按照材料發(fā)生腐蝕疲勞的破壞機(jī)理不同，將腐蝕疲勞分為活化狀態(tài)下的腐蝕疲勞和鈍化狀態(tài)下的腐蝕疲勞，鈍化狀態(tài)下的腐蝕疲勞又可分為純鈍化狀態(tài)下的腐蝕疲勞和疊加了其他腐蝕現(xiàn)象的腐蝕疲勞，不銹鋼是典型的鈍化狀態(tài)下材料。本文通過(guò)金相、掃描電鏡等對(duì)某車(chē)的排氣管掛鉤斷口和腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行分析，以探究不銹鋼在此條件下的失效機(jī)理。

1材料及分析方法

失效部件取自某路試的車(chē)輛，路試沒(méi)有滿(mǎn)足3年的設(shè)計(jì)要求。按照GB/T11170—2008，通過(guò)SPECTROM9型直讀光譜對(duì)排氣管掛鉤進(jìn)行化學(xué)成分測(cè)定，分析結(jié)果見(jiàn)表1，此材料為SUH409L鐵素體不銹鋼。排氣管掛鉤斷裂位置位于掛鉤的管與管的焊接處，如圖1所示。在掃描電鏡下首先對(duì)失效件的表面腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行能譜分析;然后在超聲波中清洗試樣斷口后再次觀察斷口形貌;最后，將斷口磨平、拋光、侵蝕，在Lecia金相顯微鏡下對(duì)斷口部位的顯微組織進(jìn)行觀察。

2試驗(yàn)結(jié)果

2．1宏觀形貌分析

在圖2中可以看出斷口表面氧化程度不同，靠近焊縫處A處氧化最嚴(yán)重，顏色最暗;B、C處氧化次之;焊縫對(duì)側(cè)的E處為金屬色澤，有少量的氧化;另外在斷口D處可以發(fā)現(xiàn)有一定的光亮磨痕。

2．2疲勞裂紋源分析

2．2．1斷口及能譜分析

對(duì)圖2中的A附近斷口觀察，在電鏡下放大11倍時(shí)可以看出在焊縫處有明顯的裂紋，并且已經(jīng)穿透了管壁。將此處放大可以看到裸露在外的晶粒，晶粒的尺寸約為30μm(圖3)，裸露的晶粒上還有一層附著物，通過(guò)能譜分析(圖4)，可以看到腐蝕產(chǎn)物中有氯離子和氧化物的存在。

2．2．2顯微組織分析

將斷口面磨平，從金相中可以看出焊縫附近有a～d等4處點(diǎn)蝕坑和穿透管壁的裂紋，其中已經(jīng)有裂紋從c處逐漸擴(kuò)展，如圖5所示。母材的晶粒為7級(jí)，處于正常水平，焊縫處最大晶粒可達(dá)200μm，如圖6所示。

2．3疲勞裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)分析

圖2中的B、C、D處斷口發(fā)現(xiàn)大量的疲勞輝紋和疲勞臺(tái)階，并伴有氧化和二次裂紋，越靠近焊縫接頭處，氧化越嚴(yán)重，此形貌為典型的腐蝕疲勞形貌(圖7)。從B、C、D三處疲勞輝紋的法線(xiàn)方向可以看出疲勞源位于焊縫接頭附近的A處，然后逐漸擴(kuò)展到B、C、D處，最終擴(kuò)展到E處;同時(shí)D處部分輝紋已經(jīng)被磨平，是由于其在循環(huán)應(yīng)力作用下，反復(fù)的張開(kāi)和閉合使斷口上下表面不斷地進(jìn)行摩擦，最終形成了斷口上較為平坦光滑的區(qū)域［4］。在裂紋穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展區(qū)，疲勞斷裂機(jī)制已由腐蝕疲勞向機(jī)械疲勞逐漸轉(zhuǎn)變。

2．4疲勞裂紋高速擴(kuò)展區(qū)分析

圖2中的E處在掃描電鏡下可以看出大量的光亮磨痕，并且此處的疲勞輝紋相對(duì)較淺，如圖8所示，此處為斷裂后期，仍為韌性斷裂。

3分析與討論

3．1疲勞裂紋起源和擴(kuò)展

疲勞弧線(xiàn)是由于載荷譜變化而在斷裂面上留下的裂紋擴(kuò)展瞬時(shí)前沿線(xiàn)，它的法線(xiàn)方向即為該點(diǎn)的疲勞裂紋擴(kuò)展方向［5］。根據(jù)疲勞輝紋的法線(xiàn)方向，可以判斷裂紋起源于焊縫接頭附近的A處，此處有一定數(shù)量的點(diǎn)蝕坑和裸露的晶粒，并且疲勞裂紋表面覆蓋有大量的氧化物。在疲勞擴(kuò)展穩(wěn)態(tài)區(qū)可見(jiàn)大量的疲勞輝紋，并有大量的二次裂紋、少量的氧化和磨痕。在高擴(kuò)展速率區(qū)，疲勞輝紋比較淺，并有大量的磨痕，沒(méi)有出現(xiàn)脆斷的斷口形貌。可見(jiàn)，隨著疲勞裂紋的不斷擴(kuò)展，斷裂機(jī)制逐漸由腐蝕疲勞向機(jī)械疲勞轉(zhuǎn)變。

3．2疲勞裂紋源的機(jī)理探究

在焊縫熱影響區(qū)發(fā)現(xiàn)了a、b、c、d四處點(diǎn)蝕坑，見(jiàn)圖5。焊縫熱影響區(qū)較基體和焊縫位置的硬度低，在循環(huán)載荷的作用下，此處局部滑移造成表面鈍化膜損壞和化學(xué)性不均勻。在腐蝕環(huán)境中，尤其是氯離子等腐蝕介質(zhì)的存在，往往會(huì)促進(jìn)點(diǎn)蝕坑在金屬表面的電位不均勻部位形成，引發(fā)點(diǎn)腐蝕;加上排氣管溫度的作用，加速了腐蝕和氧化的進(jìn)行，加劇了腐蝕疲勞過(guò)程中載荷交互作用的復(fù)雜化［6－9］。關(guān)于點(diǎn)蝕對(duì)裂紋形成的影響，周向陽(yáng)等［10］認(rèn)為不銹鋼點(diǎn)蝕萌生后快速擴(kuò)展，當(dāng)應(yīng)力集中達(dá)到一定值時(shí)在腐蝕支持下沿晶開(kāi)裂，形成裂紋擴(kuò)展。李志義等［3］認(rèn)為點(diǎn)蝕坑在腐蝕環(huán)境與疲勞載荷交互作用下不斷演化，小孔根部產(chǎn)生應(yīng)力集中，在不需要很大的循環(huán)載荷、不長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)，就會(huì)形成穿透性裂紋。

4結(jié)論

(1)排氣管掛鉤整個(gè)疲勞斷裂過(guò)程是由腐蝕疲勞逐漸向機(jī)械疲勞過(guò)渡，在焊接接頭附近產(chǎn)生腐蝕疲勞，有晶間腐蝕和大量的氧化、疲勞輝紋和二次裂紋等;疲勞斷裂階段的斷口形貌主要有大量的疲勞輝紋和光亮磨痕。

(2)疲勞裂紋起源于焊接的熱影響區(qū)，由于熱影響區(qū)硬度低產(chǎn)生的局部塑性變形和高溫、氯離子等條件的影響，點(diǎn)蝕坑形成并最終由于應(yīng)力集中達(dá)到臨界狀態(tài)轉(zhuǎn)化為腐蝕疲勞，腐蝕疲勞不斷擴(kuò)展，斷裂機(jī)制逐漸由腐蝕疲勞向機(jī)械疲勞轉(zhuǎn)變并最終導(dǎo)致金屬斷裂。

(3)初步判斷，SUH409L強(qiáng)度較低，耐蝕性較差，不足以滿(mǎn)足疲勞設(shè)計(jì)的要求，建議排氣管掛鉤采用耐蝕性及疲勞強(qiáng)度較好的SUS304，1．4003不銹鋼等材料。

參考文獻(xiàn)：

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作者:劉春粟 畢洪運(yùn) 單位:寶山鋼鐵股份有限公司研究院 汽車(chē)用鋼開(kāi)發(fā)與應(yīng)用技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室( 寶鋼)