51CrV4彈簧鋼環箍斷裂失效分析

張凱，王長朋，佘祖新，文邦偉，譚勇

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51CrV4彈簧鋼環箍斷裂失效分析

張凱1,2，王長朋1,2，佘祖新1,2，文邦偉1,2，譚勇1,2

（1. 西南技術工程研究所，重慶 400039；2. 重慶市環境腐蝕與防護工程技術研究中心，重慶 400039）

研究51CrV4彈簧鋼環箍出現斷裂失效原因。通過化學成分分析、力學性能分析、斷口掃描分析、顯微組織分析及能譜分析測試手段，對51CrV4彈簧鋼環箍的斷裂模式及失效原因進行分析。長時間處于拉應力狀態，致使51CrV4彈簧鋼環箍內表面棱邊萌生裂紋源；同時，在腐蝕介質和應力的協同作用下，S元素加速腐蝕進程，腐蝕產物積累，加快腐蝕微裂紋的擴展，最終導致應力腐蝕斷裂失效的發生。通過合理的選材、結構設計和防護工藝，嚴格控制原材料成分，降低應力水平和環境嚴苛度，使應力腐蝕出現概率大大減小。

51CrV4；環箍；斷裂；應力腐蝕

環箍/卡箍是一種常用的標準件，通常用作管件、線纜束等的固定或連接零件，廣泛應用于航空、航天、汽車等領域。在使用過程中，受使用環境、自身制造缺陷以及過/欠裝配等原因的影響，引起其發生應力腐蝕斷裂失效，導致漏氣、漏油等故障發生，影響產品運行安全[1-5]。環箍/卡箍的斷裂機制包含三種：零件熱成形工藝控制不到位，在大應變區域萌生裂紋，致使在裝配使用過程中發生斷裂；經鍍鋅處理的高強度鋼制環箍/卡箍，在鍍鋅后若沒有及時除氫或除氫不凈，將導致氫脆斷裂；使用過程中，在拉伸應力和腐蝕介質的共同作用下，導致應力腐蝕斷裂。

常用結構鋼、工具鋼和彈簧鋼三類鋼材制作環箍/卡箍，而在反復使用或可靠性要求更高的場合，常采用工具鋼和彈簧鋼[6-7]。51CrV4彈簧鋼具有良好的力學性能和工藝性能，淬透性較高。釩的加入可細化鋼的晶粒，降低過熱敏感性，提高鋼的強度和韌性，具有高的疲勞強度和屈服比。

某公司生產的51CrV4彈簧環箍廣泛應用于上海大眾、奇瑞、一汽大眾、長安鈴木、長城汽車等的多種車型上，主要用于汽車輸油管、消聲器氣流通道管的連接。該型環箍在使用過程中發生了斷裂現象，為探究環箍斷裂失效的根本原因，文中對該型環箍的失效件進行了失效分析[8]。

1 試驗方法

環箍材質為51CrV4，其制造工藝為：落料—成型—下貝氏體鹽浴等溫淬火—清洗—檢驗—清理噴砂—表面達克羅處理（即片狀鋅基鉻鹽涂層）—檢驗—包裝。技術要求：51CrV4硬度為（510～570）HV30。

利用ICP分析儀對環箍進行化學成分分析，采用WDW-5型拉伸試驗機按照GB/T 228—2002 《金屬材料室溫拉伸試驗方法》[9]進行力學性能測試，采用Quanta200環境掃描電鏡對斷口進行形貌掃描分析，采用Observer.A1m型倒置式金相顯微鏡進行金相組織分析。

2 試驗結果

2.1 宏觀分析

取一件失效環箍進行分析，宏觀形貌如圖1 所示。在使用過程中，A—D四個位置發生斷裂，斷裂位置附近無塑性變形，斷口銹蝕嚴重，在斷口附近的棱邊處有銹斑。

2.2 化學成分分析

對環箍取樣進行化學成分分析，結果見表1。實驗結果表明，該環箍化學成分符合51CrV4標準成分要求。

表1 51CrV4彈簧鋼環箍化學成分 %

2.3 力學性能分析

根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料維氏硬度試驗第1部分：試驗方法》[10]，對樣品進行硬度檢測，檢測結果見表2。樣品平均維氏硬度值為529（HV30），可見斷裂環箍滿足51CrV4技術要求。

表2 斷裂環箍的硬度

2.4 金相組織分析

從斷口和表面特征可以看出，A—D四個斷口屬于同一類型，任意選擇一個斷口切樣進行分析。制樣時內圓弧面為磨拋面，觀察兩側面形態及金相組織。

1）根據GB/T 10561—2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標準評級圖顯微檢驗法》[11]對樣品進行非金屬夾雜物評定，非金屬夾雜物級別符合GB/T 1222—2007中非金屬夾雜物的規范要求，非金屬夾雜物評級金相照片如圖2所示，評定結果見表3。

表3 非金屬夾雜物評級結果

2）由圖3可見，側面有樹枝狀微裂紋，裂紋內填充滿黑色腐蝕產物，裂紋兩側無非金屬夾雜和脫碳現象。

3）根據GB/T 13299—1991《鋼的顯微組織評定方法》[12]評定樣品的金相組織，樣品表層和芯部金相組織均為：下貝氏體+彌散分布的細小碳化物，屬51CrV4彈簧鋼環箍正常組織，如圖3c，d所示。

綜上所述，源區附近沒有非金屬夾雜、脫碳等缺陷，金相組織滿足標準要求，但有明顯的裂紋，裂紋內填充滿黑色腐蝕產物。

2.5 斷口分析

將A—D四個斷口切割、清洗后置于掃描電鏡下進行斷口形貌觀察，結果如下所述。

1）A斷口裂紋起始于內圓弧邊緣的棱邊處，呈放射狀擴展，裂紋源處被腐蝕產物覆蓋，看不到斷口的真實形貌，如圖4a，b所示。芯部斷口為韌窩和解理的混合斷裂，如圖4c所示。圓弧內表層最后斷裂區為撕裂細小韌窩，如圖4d所示。

2）B斷口裂紋起始位置特征與A斷口基本一致，如圖5a，b所示；裂紋源附近芯部斷口為冰糖狀沿晶脆性斷口，如圖5c所示；圓弧外表層最后斷裂區為撕裂細小韌窩，如圖5d所示。

3）C，D斷口特征與B斷口基本一致，如圖6和圖7所示。

4）A斷口裂紋源附近表面有大量的腐蝕產物，且有平行于斷面的橫向微裂紋，如圖8a所示；B斷口附近有大量堆積的腐蝕產物，腐蝕產物有橫向微裂紋，如圖8b所示；C，D斷口附近也有腐蝕產物，涂層有脫落現象，如圖8c，d所示。

2.6 能譜分析

對四個樣品斷口棱邊表面腐蝕產物進行能譜分析，以確定環箍斷裂的原因。能譜結果顯示，腐蝕產物中所含元素主要為O，Si，Fe，Zn和S，其元素質量百分比見表3—表6。樣品棱邊表面腐蝕產物中均存在大量S元素，S元素為活性元素，其對材料有較強的腐蝕作用。由于環箍長時間處于拉應力狀態，在一定的腐蝕介質環境下，容易發生應力腐蝕現象。

表3 A斷口腐蝕產物能譜分析 %

表4 B斷口腐蝕產物能譜分析 %

表5 C斷口腐蝕產物能譜分析 %

表6 D斷口腐蝕產物能譜分析 %

3 分析與討論

故障環箍位于汽車輸油管連接處，在長期的使用過程中，由于密封及塑料導管的老化等原因，導致油氣逸出。汽油的主要成分為H2S、硫醇、硫醚、苯硫酚和噻吩及其衍生物，致使環箍處于高含硫環境中，因此腐蝕介質來源于其使用環境。

通過對斷裂51CrV4彈簧鋼環箍在化學成分、力學性能、斷口、金相及能譜幾個方面的分析可知，環箍的斷裂類型為應力腐蝕斷裂，其承受的應力主要來自于環箍自身的箍緊力。同時，使用環境中含有H2S等腐蝕性強的硫化物，S元素為活性元素，對材料有較強的腐蝕作用，腐蝕產物中含有較高含量的硫，表明環境中的硫加速了環箍的腐蝕。斷口及表面存在腐蝕現象，裂紋源處斷口被腐蝕產物覆蓋，裂紋源存在早期腐蝕裂紋，斷口沿早期腐蝕裂紋起裂。A斷口芯部為解理和韌窩的混合斷裂，B，C，D斷口裂紋源附近芯部為冰糖狀沿晶脆性斷裂，裂紋呈樹枝狀，內填充滿腐蝕產物，兩側無非金屬夾雜物和脫碳，為典型的應力腐蝕裂紋。

3.1 力學因素的影響

金屬材料在應力和腐蝕介質的共同作用下，會促進應力腐蝕開裂裂紋的產生和擴展，最終導致材料發生應力腐蝕斷裂失效[13]。造成應力腐蝕破壞的是靜應力，遠低于材料的屈服強度，而且一般是拉伸應力。拉應力來源主要包括：材料加工、裝配等過程中產生的殘余應力；使用環境中外加載荷造成的應力；非金屬夾雜物、裂紋源中腐蝕產物等造成的應力。據相關研究表明，應力比、應力加載頻率、應力加載方向等均對應力腐蝕開裂裂紋的萌生和擴展有很大影響。低應力比可促進應力腐蝕開裂裂紋的萌生。對于相同的應力幅值和最大應力，載荷作用周次相同時，低頻率有利于應力腐蝕裂紋的萌生；載荷作用時間相同時，高頻率有利于裂紋的萌生。垂直于拉-拉應力方向的外加橫向載荷促進了裂紋的萌生和早期擴展。同時，應力的波動也是造成應力腐蝕開裂的重要影響因素[14-16]。

導致應力腐蝕開裂存在一個應力臨界值，稱為應力腐蝕開裂門檻值，用1SCC或臨界應力th表示。一般認為當拉伸應力低于1SCC或th時，不再會發生斷裂破壞。

3.2 硫元素的影響

硫元素作為有害元素，其來源既包含金屬材料中的硫，也包含環境介質中的硫或硫化物。金屬材料中的硫元素可以在冶煉過程中通過優化冶煉工藝得以控制，但使用環境介質中的硫或硫化物的影響僅能通過合理選材和改進防護工藝得以減輕。一方面，金屬材料中硫元素與腐蝕介質中的水分和氧反應生成連多硫酸或亞硫酸，加速周圍金屬材料的腐蝕，隨著腐蝕產物的堆積，應力增大，加速應力腐蝕裂紋的擴展。另一方面，環境中硫或硫化物的電離，使腐蝕介質呈酸性，加速鋼的電化學腐蝕進程。同時，腐蝕介質中的[H]向鋼內部擴散，導致鋼氫脆和氫損傷的產生。在外加拉應力、殘余應力等的協同作用下，加快了應力腐蝕裂紋的萌生、擴展，最終導致金屬材料斷裂失效[17]。

4 結論

51CrV4彈簧鋼環箍的斷裂性質為應力腐蝕斷裂，在自身箍緊力的作用下，致使微裂紋形成。同時，在使用環境中腐蝕介質的的作用下，優先在裂紋源處發生腐蝕。最終，在應力和腐蝕介質的協同作用下，微裂紋不斷擴展，導致應力腐蝕斷裂。因此，鑒于51CrV4彈簧鋼環箍的使用環境無法改變，為減少環箍的斷裂失效問題，提出相關建議如下。

1）根據環箍產品的實際使用環境，合理選擇環箍的材料、結構設計和防護工藝，降低應力水平和環境嚴苛度，從而提高環箍的耐應力腐蝕性能。

2）在保證環箍使用要求的箍緊力的前提下，盡量不要將卡箍擰得太緊，以減小卡箍的箍緊力。

3）制定相關企業標準，提高制造水平和裝配質量等，降低材料殘余應力和裝配應力，并盡量避免材料加工時產生微裂紋。

通過相關企標的制定，采用合理的結構設計和防護工藝之后，應力腐蝕斷裂發生概率大大減小，問題得到了有效解決。

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Fracture Failure of 51CrV4 Ring Band

ZHANG Kai, WANG Chang-peng, SHE Zu-xin, WEN Bang-wei, TAN Yong

(1.Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China; 2.Chongqing Engineering Research Center for Environmental Corrosion and Protection, Chongqing 400039, China)

To investigate the fracture reasons of 51CrV4 ring band.The fracture modes and the failure reasons of 51CrV4 ring band were analyzed by means of chemical composition analysis, mechanical performance analysis, SEM analysis, microstructure and energy dispersive spectrum analysis.In the tension stress state for a long time, the initiation cracks were formed at inner surface edge of the 51CrV4 ring band. At the same time, under the synergy of corrosive medium and stress, the corrosion process was accelerated by S, corrosion product was accumulated, and the expansion of corrosion microcracks was accelerated, the SCC failure was caused finally.The occurrence probability of SCC cracking could be greatly reduced by selecting material reasonably, improving the process design and protection technology, controlling raw material composition and reducing stress level and environmental severity.

51CrV4; ring band; fracture; SCC

TJ04

A

1672-9242(2018)03-0086-06

10.7643/ issn.1672-9242.2018.03.018

2017-10-05；

2017-11-23

張凱（1990—），男，四川樂山人，碩士，主要研究方向為腐蝕與防護。

王長朋（1985—），男，重慶人，碩士，工程師，主要研究方向為材料失效與分析。