高强度零部件延迟开裂组织敏感性机理的探讨.pdf

生 产 强 饧 高强度零部件 延迟开裂组织敏感性机理的探讨 汽车高强度零部件的种类很多，其中有一类零件承受着组织转变或装配工艺带来的持续恒定的 应力，在特定的组织和应力的作用下具有延迟开裂的倾向，同时也具有对氢的敏感性。这种延迟开 裂的首要或是必要的条件是对马氏体及其不充分回火组织的敏感性。本文从其组织晶粒的不稳定 性、各向异性、晶界的滑移条件等方面讨论了高强度零部件延迟开裂的机制和滑移模型 ，对这类延 迟开裂的理解及问题的解决有一定的意义。 延迟开裂是指金属零件在一定金相组织状态、静 载荷正应力和其他条件下，裂纹萌生并逐步扩展直至 最终断裂的失效形式，亦称静疲劳。汽车高强度零件 的延迟开裂具有广泛性和多发性。长期以来，有效地 控制和防范延迟开裂的发生，一直是工程技术界非常 重视的一个问题 ，也是学术界重点研究、探讨的问题 之一，在机械工程装备制造 中有着非常重要的意义和 技术指导性。 1高强度零部件延迟开裂特性 作为失效分析和质量控制 ，一般首先接触到的高 强度零部件延迟开裂问题多是发生在高强度螺栓上 ， 而且多是以氢脆机理来认识和处理 的问题。但实际 日 常所接触到的延迟开裂的汽车零件类型远不止高强度 螺栓一种 ，应该是一大类。这类零件从其功能讲 ，装 配 目的用于联接固定、锁紧、夹持等 ，装配后力学状 态为承受持久的应力，诸如过盈配合的齿轮、轴承、 起夹持作用的弹性元件、锁紧或被锁紧的高强度零件 中国第一汽车集团公司技术中心刘柯军张吉 吉 徐香秋高伟 等。这些零件涉及到的材料涵盖了低 、中、高各种碳 钢及合金钢 ，涉及的工艺包括了调质 、渗碳淬火、感 应淬火或淬火加低温回火等 ，而就其所承受的热处理 工艺类型均是淬火后加某一温度 的回火 ，金相组织则 是马氏体或是马氏体的某种 回火组织。 另外，还有两种典型和常见的零部件工艺缺陷， 即淬火裂纹和磨削裂纹的发生也具有典型的延迟开裂 特性，这其中的淬火裂纹是指那些因淬火组织应力或 组织差异应力 ( 弧裂 ) 而在马氏体状态下和区域内开 裂的。而与前述零部件的延迟开裂特性相比，组织因 素是相同的 ，差异在于致裂的应力特 性是内在 的应 力，而不是装配的外在应力。 对于高强度螺栓的延迟开裂问题 ，目前应用最广 泛 的是 “ 氢脆”机理。但在实际生产中解决 日常大量 的高强度零部件延迟开裂问题 时，除去在零部件技术 条件 中关注和规避“ 镀锌 ”、 “ 酸洗 ”工艺等渗氢 因素外 ，真正大量采用的方法是控制 “ 马氏体组织” 和 “ 持久应力”两大关键因素。 2 0 1 0 年第 5 期 汽车m艺与材料 A T & M l 1 9 生 产 琐 侵 应该强调 的是 ，在高强度零部件的延迟开裂中， 马氏体及其不充分的回火组织是延迟开裂的 “ 必要条 件” ，就是说没有这种组织则不发生延 迟开裂。而 “ 应力 ” 的幅值和 “ 氢 ”的存在这两种 因素并列为 “ 充分条件 ”。而且 ，在常规的 “ 氢规避 ”的条件 下，应 力的因素是导致延迟开 裂最 活跃 的因素。充 分了解和认知延迟开裂几个主要影响因素的关系和作 用 ，对于研 究开裂机理和解决问题是至关重要的。 2 GB T 3 0 9 8 。 1 紧固件机械性能螺 栓、螺钉和螺柱 标准的解读 在避免高强度螺栓发生延 迟开裂的问题上，G B T 3 0 9 8 1 紧固件机械性能螺栓、螺钉和 螺柱 标 准中有了许 多的限制性技术条款。在大量处理这类延 迟开裂问题 的实践中，逐步对相关技术条款 的内在含 义有了本质上的认识 ，具体如下。 ( 1) 在标准第4 条表2 中对高强度螺栓规定了 “ 最低含碳量”，而且在I S O 8 9 8 1 2 0 0 9 紧固件 机械性能螺栓、螺钉和螺柱标准版本中，已经取 消 了1 0 9 级低碳合 金钢 ( 最低回火温度3 4 0 ) 螺 栓 ，这主要是因为淬硬性决定于含碳量 ，也影响着回 火 的温度 ，杜绝 因淬硬性不足而降低 回火温度 的现 象，是为了回避因材料原因带来的回火不充分倾向。 ( 2) 在标准第4 条表2 中对 高强度 螺栓 规定 了 “ 最低回火温度”，限定回火不充分的情况的发生， 这主要是针对那些在实际工艺中淬火不充分，靠降低 回火温度来保证力学性能的问题而提出来的，是为了 回避 因工艺原因带来的回火不充分倾 向。 ( 3) 在标准第4 条表2 中对 1 0 9 级和 1 2 9 级为保 淬透性提出合金含量的要求 ，并要求淬火组织中马氏 体含量不低于9 0 ，这是防止 因淬火不充分而降低回 火温度的措施。 ( 4) 在标准第6 条表3 中对高强度螺栓规定 了 “ 表面硬度”的要求，实际上是用于控制热处理表面 增碳 的问题 。而且在I S O 8 9 8 1 2 0 0 9 标准版本中明 确地提出了表面 “ 增碳”概念和控制问题 ，随着表面 含碳量 的增加 ，原规定的回火温度会引发回火不充分 的倾向增加 ，而同一种工艺解决不了里 、外两种材料 的回火问题。这也说明 了随着含碳量的增减 ，其相应 的马氏体组织强度在提高，延迟开裂的敏感性也在增 减 ，意味着所对应的回火温度也要增加。 ( 5) 在标准第6 条表3 中对 高强度 螺栓 规定 了 “ 再回火试验”的方法和要求 ，这是用来鉴别和判定 回火是否充分的方法 ，在延迟开裂分析案例中已大量 应用，非常有效。 ( 6) 另外 ，I S O 8 9 8 1 2 O 0 9 标准版本中还明确 地强调 “ 要充分地考虑供应商的能力和表面镀层对延 迟开裂的影响，1 2 9 级螺栓应当谨慎使用”，说明这 种螺栓还具有因材料和工艺控制而发生 回火不充分现 象的倾向，需要引起重视。 延迟开裂一直是高强度螺栓应用中值得关注的问 题，也是相关的国际标准、国家标准中一直关注的问 题。随着对其影响因素不断的认识 ，相关的技术限定 条款在不断地修订和完善。标准中针对解决高强度螺 栓延迟开裂问题的限定条款有很多，但无论是在材料 还是工艺上 ，核心的要素只有一个 ，就是要关注马氏 体的回火程度问题 ，换言之为 “ 组织敏感性”问题。 这其 中什么是组织敏感性，对什么组织敏感，需 要界定清楚 ，但却很难用金相的方法来区分。笼统地 讲 ，4 0 0 o C 左右或以上充分回火的组织被认为是回火 屈 氏体及回火索氏体 ，可以有效地抑制延迟开裂，否 则为回火马氏体或部分回火马氏体组织 ，具有延迟开 裂的敏感性或倾向。硬度检验并不十分可靠，会受到 材料、淬火和回火工艺的影响和 限定 ，解决离强度螺 栓延迟开裂的核 心问题是具备充分的回火组织。 3关于 “ 静疲劳特性和影响因素 金属材 料和零部件 的疲劳特性是指在交变应力 ( 载荷 ) 作用下的断裂现象。对于称之为 “ 静疲劳” 的延迟开裂也具 有相 同的性质 ，有试验给 出了这种 “ 静疲劳”曲线 ( 见图1)，它表达的是持久应力 ( 载荷 ) 与断裂时间t 之间的关系。 同时该 曲线还表 2 0 l 汽车工艺与材料 A T & M 2 0 1 0 年 第 5 期 生 琐 扬 达了延迟开裂对 “ 应力”的敏感性特性。 s 图1延迟开裂静疲劳曲线 该试验还给出了静疲劳曲线与强度之间的关系， 见图2 。在同种材料淬火加 回火的条件下 ，随着回火 温度的降低、材料强度的上升 ，静疲劳曲线向左下方 移动 ，表现出了延迟开裂敏感性的明显增加。而随着 回火温度的提高延迟开裂的敏感性会显著地降低 ( 移 向右上 方 ) 直至消失，这表现出了延迟开裂对 ( 马氏 体 ) 组织和强度的敏感性。与此相 同可以推论 ，伴随 材料含碳量、含氢量的增加，延迟开裂的敏感性会有 相应的提高，静疲劳曲线向左下方移动 ，反之亦然。 图2 静疲劳曲线的影响因素 在工程上静疲劳强度( ) 对于那些淬火加低温回 火、渗碳淬火和感应淬火等零件装配应力的控制也应 该是一个有意义的指标。常见的零部件延迟开裂时间 一 般在几十分钟至数十小时之间 ，各种延迟开裂 ( 氢 脆 ) 敏感性试验时间通常控制在1 0 0 2 0 0 h z间，静 疲劳强度的时间判断控制可以参照后者。 4 各种因素的比较和机理的探讨 ( 1) 延迟开裂的组织敏感性 纵观 各种 高 强度 零部 件 的延 迟开 裂 问题 ，组 织敏感性是其 “ 必要条件 ”，是首 要问题 。如GB T 3 0 9 8 1 标准解决延迟开裂的核心问题就是规避马氏 体及其某些不充分回火组织。随着回火温度的提高 ， 组织延迟开裂的倾向逐步下降以至于最终消失，都促 使我们考虑马氏体组织及晶粒、晶界等自身属性在延 迟开裂中的作用。 关于是否可以把组织应 力和 组织差 异应力 类型 的淬火开裂 ( 马氏体开裂 )以及磨削工艺裂纹也纳入 到高强度零部件延迟开裂的范畴 ，这是一个非常值得 关注的问题。这些开裂的组织特性、时间特性、沿晶 开裂特性均与其他高强度零部件延迟开裂特性相 同， 差异在于这两种工艺裂纹 的应力特性是内在 的组织应 力 ，但应看到作用和效果与外在施加的应 力是相 同 的，应属于延迟开裂的范畴。 但目前理论界和工程界并没有把组织应力淬火裂 纹和磨削裂纹等同于 “ 延迟开裂 ”的范畴去看待 ，而 更多的是认为淬火时组织应力超过了极限强度而开裂 的，应该认为开裂的延迟特性被忽略了。同时 ，也使 我们考虑到另外一个问题 ，高强度零件延迟问题是可 以不涉及到 “ 氢脆 ”而解决的。 ( 2) 马氏体组织的各向异性 由于相 同晶格中不同晶面和不同晶向上原子排列 方式和排列密度不一样 ，原子间相互作用也就不同，因 而不同晶面和不同晶向就显示不同的力学性能和理化性 能 ，即各向异性。例如单晶体铁 ( 只含一个晶粒 ) 的 弹性模量，在 ( 1 1 1 )方向上为2 9 0 x 1 0 5 MP a，而在 ( 1 0 0 )方向上只有1 3 5 X 1 0 MP a 。见图3 。 图3多晶体结构的方向性 马氏 体组织的晶体结构为体心正方晶体 ( B C T) ， 在一 1 0 0 o c 没有碳扩散的条件下，由 X 射线衍射所做的测 量证明，B C T 点阵的c a b t 值可由下式给出： c a =1 0 0 5 + 0 0 4 5 C 式中，C 为碳含量。 2 0 1 0 年 第5 期 汽车工艺与材料 A T & M I 2 1 生 产 琐 猛 由此可见，随着碳元素含量的上升 ，马氏体组织 的各向异性是增大的。 马 氏体相变是点阵畸变式转 变 ，得到 的马 氏体 组织是低温亚稳相。在马氏体相变过程中存在宏观不 畸变面惯析面 ，马氏体点阵与基体点阵之间一般 存在着确定的位向关系。马氏体组织的内部结构包括 大量的缺陷 ，例如位错、层错、孪晶等，这是马氏体 转变过程中存在点阵不变形转变滑移或孪生的结 果。如果点阵不变形转变是滑移 ，则得到板 条马氏 体 ；而如果是孪生，则得到透镜马氏体。 ( 3) 微观结构的稳定性 由于马氏体组织的内部结构包括大量的缺陷，故导 致其晶粒的强度增大，而塑性减弱。另一方面，马氏体 组织是低温亚稳相，其内部容易产生析出碳化物，这些 碳化物优先分布于晶界上，钢中的杂质原子也分布在晶 界上，这些因素会导致晶界的强度下降。因此，在马氏 体组织中，晶粒内部和晶界的强度是相近的。 在宏观的高应力场中晶粒之间的约束和作用下， 单晶粒各晶界的正应力不均衡性使晶粒处于一种不稳 定的状态 ，使其具有滑移和转动的倾向。而晶粒的相 对稳 定状态是依靠着 晶界的剪切 强度和应 力来维 系 的。当剪应力足够高时 ，晶界会发生粘滞性的滑移直 至 出现微裂纹，包括晶界的剪切裂纹和三者交界处的 楔形正应力的撕裂 ( 见 图4) 。滑移和开裂的现象都 会导致晶粒的异常约束及能量被释放 ，同时也可以解 释沿晶断 口中大量的二次裂纹 的形成机制 ( 见图5 、 图6)，其中可以包含着晶粒在 方位上的变化。 图4 晶界滑移开裂力学模型 图5 延迟开裂的沿晶断口 图6 延迟开裂的沿晶断口 不同程度的回火 ，可以不同程度地改变马