65Mn弹簧钢强度高、淬透性好、脱碳倾向小、切削加工性好且价格低廉，常用来加工成各种小规格弹性件。65Mn弹簧钢耐蚀性差，常在其加工成的零件表面进行电镀镉处理，然而在电镀、酸洗及放氢型腐蚀环境中均会产生氢，使电镀镉技术存在氢脆的隐患。氢脆往往导致材料延迟性的脆性破坏，不易被发现，且一般为批次性问题，危害较大，在生产和使用过程中需引起足够重视。

 

事故背景

 

某设备在维护过程中发现设备内的65Mn弹簧钢弹性圆柱销开裂失效，该弹性圆柱销的工艺流程为：落料→成型→热处理→探伤→表面电镀镉→检验。

 

理化检验

 

1、宏观观察

 

通过体视显微镜对失效圆柱销进行观察，如图1所示。

 

图1 失效圆柱销宏观形貌

 

可见失效圆柱销的裂纹位于圆柱销开口正对面，沿弹性圆柱销轴向分布，裂纹呈连续而曲折的锯齿状，未见分叉。图1中上、下两件为未开裂的弹性圆柱销。

 

2、化学成分分析

 

在失效圆柱销上取样进行化学成分分析，分析结果见表1。

 

表1 失效圆柱销的化学成分(质量分数)％

 

 结果表明失效圆柱销的化学成分符合GB/T 3279－2009«弹簧钢热轧钢板»对65Mn弹簧钢的成分要求。

 

3、硬度测试

 

在失效圆柱销上取样进行显微维氏硬度测试，测得硬度为523HV0.5，工艺要求为420~560HV0.5，可见失效圆柱销的硬度满足工艺要求。

 

4、金相检验

 

在失效圆柱销上取样进行金相检验，如图2所示，可见其显微组织主要为回火马氏体，未见条带状组织和脱碳现象。

 

图2 失效圆柱销在低倍和高倍下的显微组织形貌

 

5、断口分析

 

失效圆柱销的外表面已裂开，内表面尚有连接，将内表面连接处人为打开，通过FEI Quanta 650型扫描电镜(SEM)对断口进行观察。断口SEM形貌如图3所示，可见裂纹起源于弹性圆柱销外侧亚表面，向内扩展。扩展区占整个断口的绝大部分，呈现沿晶的脆性断裂形貌，内表面连接区域占整个断口的比例很小，为人为撕裂的断口。整个断口表面未见明显的塑性变形，未见明显的冶金缺陷。

 

图3 断口SEM形貌

 

图4 裂纹源区SEM形貌

 

图5 裂纹扩展区SEM形貌

 

图6 人为打开断口SEM形貌

 

将裂纹源区进一步放大观察，如图4所示，可见裂纹源区断面干净，未见腐蚀产物。断口裂纹扩展区SEM形貌如图5所示，可见断口裂纹扩展区呈沿晶分离状，晶粒轮廓鲜明，晶面上可观察到变形线，为典型的氢脆微观断口。最后人为打开断口，如图6所示，可观察到细小的韧窝和断裂的镀镉层。

 

6、氢质量分数测定

 

通过ONH2000型氧氮氢气体分析仪对3件失效圆柱销进行氢质量分数测定，氢质量分数分别为0.00041％，0.00055％，0.00086％。

 

分析与讨论

 

失效圆柱销的化学成分满足GB/T 3279－2009要求，断面未见明显的塑性变形及冶金缺陷，初步排除过载断裂和原材料缺陷产生裂纹的可能。

 

失效圆柱销的裂纹位于圆柱销开口正对面，沿弹性圆柱销轴向分布。有文献指出，带状组织对弹性圆柱销的性能影响很大，主要表现为各向异性，造成弹性圆柱销径向开裂。但失效圆柱销显微组织为回火马氏体，未见带状组织，可排除带状组织造成弹性圆柱销开裂的可能。

 

失效圆柱销的显微组织未见脱碳，排除脱碳导致圆柱销强度不足而开裂的可能。

 

失效圆柱销裂纹呈连续而曲折的锯齿状，未见分叉，这是氢脆裂纹的典型形貌。裂纹起源于圆柱销外侧亚表面，整个断面干净，未见腐蚀产物。裂纹扩展区占整个断口的绝大部分，微观断口呈冰糖状沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶面上可观察到变形线，为典型的氢脆断口微观形貌。

 

氢质量分数测定试验发现失效圆柱销含有0.00041％~0.00086％的氢。一般钢中氢质量分数为0.0005％~0.001％时就会产生氢致裂纹，但有文献表明，氢脆敏感性随钢铁材料强度的提高而急剧增加。特别是当抗拉强度超过1000MPa后即使在氢质量分数较低的情况下材料也可能发生氢脆断裂。而失效圆柱销的显微维氏硬度换算成抗拉强度后达到1749~1781MPa，对于如此高强度的钢而言，即使是0.00041％的氢也完全可以造成氢脆开裂。结合裂纹宏观形貌、断口微观形貌、硬度、金相及氢质量分数判断失效圆柱销发生了氢脆开裂。

 

发生氢脆通常需要两个必要条件，一是必须有氢的发生源，二是对象金属需对氢敏感。调查发现，因该批弹性圆柱销出厂检验时硬度偏低，故生产厂家对该批圆柱销增加了一次热处理。热处理前需先用稀盐酸退掉圆柱销表面发蓝层，然后退火→淬火→回火。热处理前退镀后厂家没有增加相应的除氢工序，未及时除氢，导致氢渗入圆柱销，这便是氢的来源。失效圆柱销的材料为65Mn弹簧钢，该材料的强度很高，为氢脆敏感材料。本次失效满足氢脆发生的两个必要条件，在装配拉应力的作用下该圆柱销产生了径向氢脆开裂。

 

结论及建议

 

失效圆柱销在退镀工序后没有进行相应的除氢工序，氢渗入了圆柱销内部，导致该弹性圆柱销发生氢脆失效。

 

建议后续生产中，在退镀及其他产生析氢反应的工序后增加除氢工序，以及时除去材料中的氢，避免氢脆的产生。

 

作者：李剑玉，工程师，中国空空导弹研究院

 

来源：理化检验

关键词： 弹性圆柱销