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脆性斷裂典型案例：低合金超高強度鋼螺釘斷裂

30CrMnSiNi2A是廣泛應用于我國航空航天制造的低合金超高強度鋼，是一種綜合性能優良的結構材料。該鋼在30CrMnSiA鋼的基礎上提高了錳和鉻含量，并添加了1.4%~1.8%的鎳（質量分數），使其淬透性得到明顯提高^[1]。經過熱處理后可獲得高的強度、塑性和韌性，良好的抗疲勞性和斷裂韌度，低的裂紋擴展速率，因而適合制造高強度的連接件、軸類零件以及起落架等重要受力結構件。但30CrMnSiNi2A鋼等溫熱處理制度較為嚴苛，不合理的熱處理制度無法發揮材料性能，在使用過程中容易發生脆性斷裂。

某型號固體火箭發動機燃燒室殼體尾端采用法蘭連接結構連接后封頭，該燃燒室殼體進行水壓爆破試驗時，升壓至16MPa時（設計要求爆破壓力≥17.4MPa），首個螺釘從第一扣螺紋處發生斷裂，繼續升壓至16.6MPa時，所有螺釘斷裂，燃燒室殼體后封頭脫落，連接失效（見圖1）。

圖1 水壓失效斷裂螺釘殘骸

該發動機燃燒室殼體，螺釘材料為30CrMnSiNi2A鋼，規格為M10×1，工藝過程為：原材料復驗→粗加工→半精加工→精加工成形→等溫淬火→無損檢測→表面達克羅處理。加工過程中無涉氫環節。設計要求常溫下抗拉強度為1550MPa。

本文對斷裂螺釘及同批次生產的螺釘進行了失效仿真、拉伸和沖擊試驗，并對斷裂螺釘斷口及拉伸、沖擊試樣斷口進行檢測和分析，對螺釘金相組織進行了檢測及分析。綜合以上試驗及測試結果確定了螺釘斷裂性質，明確了螺釘斷裂原因。

1 螺釘失效仿真

對法蘭連接結構進行仿真驗證，建立模型對法蘭連接結構進行分析和計算，計算出螺釘在16MPa內壓載荷下螺釘受力情況。

由應力云圖（見圖2）可以看出，螺釘最大等效應力為1534MPa，出現位置為第一扣螺紋底部，在塑性應變云圖（見圖3）中，最大塑性應變為6.6%，綜合以上兩個結果，螺釘在承力時，第一扣應力最大，但是應力主要集中在螺釘表面，螺釘心部應力較小，為發生塑性應變。

圖2 螺釘等效應力云圖

圖3 螺釘塑性應變云圖

從安全系數云圖（見圖4）中可以得出，螺釘大部分結構安全系數高于3，第一扣螺紋附件安全系數在1~1.7，螺釘連接可靠，結構設計合理。水壓失效螺釘實際斷裂模型與仿真結果導向一致，起始斷裂位置在螺釘第一扣螺紋處。

圖4 螺釘安全系數云圖

2 斷口觀測及分析

2.1 螺釘斷口宏觀觀測

螺釘斷裂位于第一扣螺紋處。螺釘斷裂宏觀特性觀察：斷口呈暗灰色，斷口平齊，斷面可見放射性棱線，棱線聚集的一端為裂紋的起點處，斷口附近無明顯塑性變形（見圖5）。

圖5 螺釘斷口宏觀照片

2.2 螺釘斷口微觀觀察

采用掃描電鏡對斷口進行微觀觀察，如圖6所示。通過對螺釘斷口微觀觀察，能夠看出，螺釘斷面出現大量高密度短而彎曲的撕裂棱線，高倍照片中能夠看到大量的小平面及二次裂紋，可以判斷斷口為準解理斷口^[2]。掃描斷口未發現明顯“雞爪痕”，且螺釘加工過程無涉氫環節，氫脆可能性較小。

圖6 螺釘斷口微觀照片

2.3 螺釘性能測試

對加工完成的螺釘及同爐拉伸試樣進行了單軸拉伸和沖擊試驗，單軸拉伸試驗測量了螺釘最大軸向拉力及材料抗拉強度和伸長率，沖擊試驗測量了材料韌性性能。最終試驗測試結果表明，螺釘抗拉強度及伸長率滿足標準要求，沖擊吸收能量低于標準要求，材料性能按照標準QJ 2142—1991《超高強度鋼的熱處理》執行，測試結果見表1~表3。

表1 螺釘最大拉力結果

表2 試驗單軸拉伸試樣結果

表3 沖擊吸收能量結果

2.4 螺釘金相分析

對發生斷裂的螺釘和單軸拉伸后的螺釘進行了材料金相分析。通過對結果照片觀察能夠看出，斷裂螺釘組織以板條狀馬氏體為主，相界上析出大量碳化物，如圖7所示。

圖7 螺釘斷口微觀照片

3 螺釘狀態分析及改進

3.1 螺釘冷加工狀態

采用顯微鏡對失效螺釘同批產品螺紋進行了放大，并進行了測繪，計算了螺釘的牙形角和螺紋底徑，結果見表4。

表4 螺紋結構尺寸檢測

螺釘螺紋測繪照片及對比照片如圖8所示。

圖8 螺紋牙形

螺紋采用專用通止規檢測，生產過程中未辦理不合格品審理單。

3.2 螺釘熱加工狀態

螺釘熱處理工藝制度為：900℃保溫40min；等溫淬火210℃保溫15min；補充回火300℃保溫60min，空冷。

通過對螺釘斷口、金相及性能測試分析能夠看出，螺釘熱處理工藝制度不合理，等溫淬火時間短，馬氏體向下貝氏體轉變不充分，補充回火過程中可能存在控溫超溫現象，相界上析出大量碳化物，最終導致螺釘材料韌性降低，未能滿足標準要求。

3.3 螺釘熱加工狀態改進

針對上述原因，在重新校核爐溫的基礎上，對螺釘熱處理工藝制度進行了調整。調整后的熱處理制度如下：900℃保溫10min；等溫淬火300～330℃保溫60min。

熱處理制度調整后對螺釘材料進行了沖擊測試，結果見表5。

表5 沖擊吸收能量結果

通過調整熱處理工藝制度，延長等溫淬火保溫時間，增強馬氏體向下貝氏體的轉變，能夠明顯看出沖擊吸收能量提高。

3.4 螺釘水壓驗證試驗

將熱處理工藝制度改進后生產的螺釘安裝在燃燒室殼體上，重新進行了水壓爆破試驗，按照正常狀態裝配后。水壓升壓至16MPa、保壓45s后，持續升壓至殼體爆破。殼體爆破后，螺釘無斷裂或松動等情況，滿足使用要求。

4 分析與討論

4.1 螺釘斷裂性質分析

從螺釘斷口宏觀觀察結果來看，根據文獻[2]中關于脆性斷口的特征，該螺釘斷口附近無明顯塑性變形，斷口比較平齊，放射性花樣。斷口微觀觀察結果表明，斷口表面大量分布短而彎曲的棱線，小平面的應力集中，沖擊吸收能量低于標準要求，金相檢測表明在相界上有大量碳化物析出。根據文獻中對脆性斷裂特征的描述，水壓爆破試驗中斷裂的螺釘為脆性斷裂。

4.2 斷裂原因分析

零件發生脆性斷裂的原因可分為內部原因和外部原因。

內部原因：

①體心立方結構金屬具有較差的塑性，容易發生脆性斷裂。

②元素如碳、氮等含量增大時，鋼的脆性增大。

③材料加工過程引起內部組織變化，如有害元素的偏聚、脆性相的析出，以及回火脆性過熱過燒等。

④晶粒度對材料脆性也有重大影響，晶粒粗大會導致材料韌性下降^[3]。

外部原因：

①零件受力。當零件上存在應力集中時，往往會導致局部材料超過應力極限，發生脆性斷裂。

②使用溫度是重要條件。當使用溫度低于脆性轉變溫度時，材料會發生脆性斷裂。

③應變率的影響。當材料應變率提高時，滑移難以進行，材料會發生脆性斷裂。

④潮濕、熔鹽、腐蝕性介質環境都可能引起脆性斷裂。