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【摘要】某型机红色桨叶上限动器离心摆从桨毂内甩落至地面。检查发现，该离心摆在结构弯曲处断裂，检查余下离心摆均发现在结构弯曲处下侧有裂纹产生。通过外观观察、断口宏观观察、断口微观观察、能谱分析、金相检查、硬度测试分析等方法对断裂原因进行排查和分析，得出产生断裂的主要原因是由于热处理回火温度位于回火脆性区间内，造成了材料产生了回火脆性，造成材料晶界弱化，弱化的晶界成为材料破坏与裂纹扩展的优先通道，在载荷作用下发生沿晶断裂。
【关键词】断裂；回火脆性；沿晶裂纹
【中图分类号】TS914.12
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0044-02
一、前言
对断裂及开裂离心摆的断口宏微观特征进行了观察，并与离心摆人工打断的断口进行了对比，同时对失效离心摆进行了能谱与硬度分析，结合热处理及材料破坏模拟实验，确定了离心摆的失效性质，并对其失效的可能原因进行了分析。
二、实验过程与结果
1、外观观察
断裂离心摆与未使用离心摆的外观，宏观可见离心摆大致可以分为摆锤、结构弯曲区及螺纹连接区三个部分。断裂离心摆断裂位于结构弯曲处，位置略靠近摆锤，距离离心摆摆锤的距离大约为80mm。断裂离心摆除结构弯曲处断裂以外无明显的宏观变形。
2、断口宏观观察
从断裂件断口宏观形貌可以看出，断口截面主要分为平坦区Ⅰ、平坦区Ⅱ及棱线三个区域。平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ被棱线隔开，只有一部分相连。断口开裂起源于弯曲一平台侧面一侧，位于平坦区Ⅰ内，断口可见明显的裂纹扩展棱线痕迹由源区向外扩展，其裂纹扩展方向源区从平坦Ⅰ区起源扩展即将到弯曲一无平台侧面一侧时，转向弯曲内侧，产生了平坦区Ⅱ，由于平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ的裂纹扩展方向不同，所以在平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ交界处，产生了较大的棱线。
3、断口微观观察
3.1 断裂离心摆
将断裂件摆锤端断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察。断口断口存在一个裂纹源，源区为线源特征，源区未见明显的夹杂和损伤等缺陷。断口源区、裂纹扩展前期及裂纹扩展后期的特征大部分区域呈现出冰糖块形貌，局部伴随有少量的韧窝，为典型的沿晶脆性断裂形貌。源区附近沿晶断裂的晶粒表面存在一定的附着物，有可能为氧化痕迹或者腐蚀产物。在扫描电镜下对宏观观察到的断裂件弯曲内侧的裂纹进行观察，裂纹边缘末端出现分叉现象，裂纹走向不规则，在开裂处可见一定量的材料掉块，在掉块区域内部可见清晰的晶粒与晶界。
3.2 开裂离心摆
将开裂离心摆人为打开断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察。裂纹源区的晶粒与晶界处存在一定量的附着物，人为打开断口呈现沿晶脆性断裂特征，剪切唇区存在少量韧窝断裂特征。
3.3 热模拟试验
通过断口观察，初步确定此批离心摆在前期加工过程中，可能发生了回火脆性，所以取一段离心摆试样进行消除回火脆性的热模拟试验。试验工艺：650℃保温2h，水冷。然后人为打断试样。将试样断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察，可以看出，热模拟试验断口特征主要以韧窝形貌为主，但是在断口中心区域局部可见少量沿晶形貌特征热模拟试验证实了材料发生了回火脆性。
3.4 能谱分析
由于在断裂件与开裂件的断口源区均发现一定量的类氧化或者腐蚀的附着物，所以分别对断裂件及开裂件的断口源区材料进行了能谱分析，测试结果显示，断口源区材料为3Crl3，未见腐蚀产物元素出现，断口源区晶粒晶界处的附着物为氧化产物，对此次断裂的影响不大。
3.5 金相检查
沿离心摆断裂件径向、沿未使用件弯曲处轴向截取金相试样，磨抛腐蚀后进行组织检查，腐蚀剂为氯化高铁盐酸水溶液。由断裂件的金相组织照片可以看出，此离心摆的组织为保留马氏体位向的回火索氏体，局部可见一定量的圆形颗粒状的析出碳化物，未使用的离心摆轴向剖面金相组织同样为保留马氏体位向的回火索氏体，在其内部观察到条带状分布的析出碳化物。
3.6 硬度测试分析
分别对断裂件及热模拟试验件的材料进行显微硬度测试，测试结果见表1、2。断裂件材料的硬度约为438HBS，热模拟试验件的硬度约为263HBS，均满足≥217HBS的技术要求。参考《航空材料手册》，推算出此批离心摆的回火温度区间大约在520-550℃之间。
三、分析与讨论
由以上试验结果可知，断裂与开裂的离心摆均在弯曲内侧发现了裂纹，断裂与开裂离心摆的断口均可见大量的冰糖块沿晶特征，局部伴随有少量的韧窝，为典型的沿晶脆性断裂形貌。从断裂离心摆断口及开裂离心摆的人为打开断口看出，断口均呈沿晶脆性断裂，虽然断口源区处发现有一定的附着物，附着于晶粒与晶界处，但是能谱分析结果表明，无腐蚀元素，排除了因腐蚀作用而造成的开裂，从能谱分析结果可断定附着物为开裂后的氧化产物。由此推断材料的断裂有可能为氢脆或者回火脆断。结合断裂离心摆的人工打断断口也呈沿晶脆性断裂这一特征，可以排除为氢脆的可能，因此推断回火脆性是造成断裂的主要原因。为验证材料是否存在回火脆性，进行了热模拟试验来去除回火脆性，观察热模拟试验的材料的人为打断断口，断口绝大部分区域呈韧窝形貌，这—现象证实了材料产生了回火脆性。
同时于断裂的离心摆断口弯曲一平台侧一面，发现存在一定的不规则裂纹和孤立的掉块区域，且掉块区域内部的晶粒与晶界明显，这说明材料的晶界的强度较低，在受到载荷作用时，材料沿晶界开裂，裂纹沿晶界扩展，严重时造成局部材料掉落，也说明材料发生了回火脆性。
硬度测试表明，断裂件材料的硬度约为438HBS，通过查阅《航空材料手册》3Crl3材料的硬度与回火温度的关系逆向推算可知，此种材料的回火温度应在520-550℃之间。此批零件的热处理记录可知，回火温度是526℃。而HB／Z80-84《航空用不锈钢，耐热钢热处理工艺说明书》中提及3Crl3材料应避开350-550℃区间回火，在此区间内材料易产生回火脆性。《金属材料金属图谱》中也提到，600℃回火时，由于3Crl3的回火脆性倾向，也应该较快的速度进行冷却。
通过金相组织检查发现，组织为保留了马氏体位向的回火索氏体，试验发现，此种材料的组织内存在一定的条带状分布的析出碳化物，这种形式的碳化物不可避免的会存在于锻件中，在晶界上存在的这种碳化物，可能是造成热模拟试验中晶界弱化的原因，但是少量的此种碳化物不会使材料性能明显下降。
因此可以推断，此批零件断裂的主要原因是由于热处理回火温度位于回火脆性区间内，造成了材料产生了回火脆性，造成材料晶界弱化，弱化的晶界成为材料破坏与裂纹扩展的优先通道，在载荷作用下发生沿晶断裂。
四、结论与建议
1、离心摆断口为沿晶脆断特征；
2、沿晶脆断主要是由于材料在回火脆性区间内回火，产生了回火脆性：
3、零件的金相组织为保留了马氏体位向的回火索氏体，组织内存在一定的条带状分布的析出碳化物，这种碳化物会使晶界弱化；
4、建议严格控制制造过程的回火温度或选用其他适合的材料。
参考文献
[1] 中国航空材料手册编辑委员会编.中国航空材料手册第2版[M].北京：中国标准化出版社，2008：204—319
[2] 张祖贤.兵器黑色金属材料手册[M].北京：兵器工业出版社，1990：18—21
[3] CLYNETW，WOLFM，KURZW.TheEffectofMeltComDositiononSolidificationCrackingofSteelWithParticularReferencetoContinuousCasting[J].MetallurgicalTransactions，1982，13B（2）：259—265
【关键词】断裂；回火脆性；沿晶裂纹
【中图分类号】TS914.12
【文献标识码】A
【文章编号】1672—5158（2012）10-0044-02
一、前言
对断裂及开裂离心摆的断口宏微观特征进行了观察，并与离心摆人工打断的断口进行了对比，同时对失效离心摆进行了能谱与硬度分析，结合热处理及材料破坏模拟实验，确定了离心摆的失效性质，并对其失效的可能原因进行了分析。
二、实验过程与结果
1、外观观察
断裂离心摆与未使用离心摆的外观，宏观可见离心摆大致可以分为摆锤、结构弯曲区及螺纹连接区三个部分。断裂离心摆断裂位于结构弯曲处，位置略靠近摆锤，距离离心摆摆锤的距离大约为80mm。断裂离心摆除结构弯曲处断裂以外无明显的宏观变形。
2、断口宏观观察
从断裂件断口宏观形貌可以看出，断口截面主要分为平坦区Ⅰ、平坦区Ⅱ及棱线三个区域。平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ被棱线隔开，只有一部分相连。断口开裂起源于弯曲一平台侧面一侧，位于平坦区Ⅰ内，断口可见明显的裂纹扩展棱线痕迹由源区向外扩展，其裂纹扩展方向源区从平坦Ⅰ区起源扩展即将到弯曲一无平台侧面一侧时，转向弯曲内侧，产生了平坦区Ⅱ，由于平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ的裂纹扩展方向不同，所以在平坦区Ⅰ与平坦区Ⅱ交界处，产生了较大的棱线。
3、断口微观观察
3.1 断裂离心摆
将断裂件摆锤端断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察。断口断口存在一个裂纹源，源区为线源特征，源区未见明显的夹杂和损伤等缺陷。断口源区、裂纹扩展前期及裂纹扩展后期的特征大部分区域呈现出冰糖块形貌，局部伴随有少量的韧窝，为典型的沿晶脆性断裂形貌。源区附近沿晶断裂的晶粒表面存在一定的附着物，有可能为氧化痕迹或者腐蚀产物。在扫描电镜下对宏观观察到的断裂件弯曲内侧的裂纹进行观察，裂纹边缘末端出现分叉现象，裂纹走向不规则，在开裂处可见一定量的材料掉块，在掉块区域内部可见清晰的晶粒与晶界。
3.2 开裂离心摆
将开裂离心摆人为打开断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察。裂纹源区的晶粒与晶界处存在一定量的附着物，人为打开断口呈现沿晶脆性断裂特征，剪切唇区存在少量韧窝断裂特征。
3.3 热模拟试验
通过断口观察，初步确定此批离心摆在前期加工过程中，可能发生了回火脆性，所以取一段离心摆试样进行消除回火脆性的热模拟试验。试验工艺：650℃保温2h，水冷。然后人为打断试样。将试样断口用丙酮超声清洗后放入扫描电镜进行微观观察，可以看出，热模拟试验断口特征主要以韧窝形貌为主，但是在断口中心区域局部可见少量沿晶形貌特征热模拟试验证实了材料发生了回火脆性。
3.4 能谱分析
由于在断裂件与开裂件的断口源区均发现一定量的类氧化或者腐蚀的附着物，所以分别对断裂件及开裂件的断口源区材料进行了能谱分析，测试结果显示，断口源区材料为3Crl3，未见腐蚀产物元素出现，断口源区晶粒晶界处的附着物为氧化产物，对此次断裂的影响不大。
3.5 金相检查
沿离心摆断裂件径向、沿未使用件弯曲处轴向截取金相试样，磨抛腐蚀后进行组织检查，腐蚀剂为氯化高铁盐酸水溶液。由断裂件的金相组织照片可以看出，此离心摆的组织为保留马氏体位向的回火索氏体，局部可见一定量的圆形颗粒状的析出碳化物，未使用的离心摆轴向剖面金相组织同样为保留马氏体位向的回火索氏体，在其内部观察到条带状分布的析出碳化物。
3.6 硬度测试分析
分别对断裂件及热模拟试验件的材料进行显微硬度测试，测试结果见表1、2。断裂件材料的硬度约为438HBS，热模拟试验件的硬度约为263HBS，均满足≥217HBS的技术要求。参考《航空材料手册》，推算出此批离心摆的回火温度区间大约在520-550℃之间。
三、分析与讨论
由以上试验结果可知，断裂与开裂的离心摆均在弯曲内侧发现了裂纹，断裂与开裂离心摆的断口均可见大量的冰糖块沿晶特征，局部伴随有少量的韧窝，为典型的沿晶脆性断裂形貌。从断裂离心摆断口及开裂离心摆的人为打开断口看出，断口均呈沿晶脆性断裂，虽然断口源区处发现有一定的附着物，附着于晶粒与晶界处，但是能谱分析结果表明，无腐蚀元素，排除了因腐蚀作用而造成的开裂，从能谱分析结果可断定附着物为开裂后的氧化产物。由此推断材料的断裂有可能为氢脆或者回火脆断。结合断裂离心摆的人工打断断口也呈沿晶脆性断裂这一特征，可以排除为氢脆的可能，因此推断回火脆性是造成断裂的主要原因。为验证材料是否存在回火脆性，进行了热模拟试验来去除回火脆性，观察热模拟试验的材料的人为打断断口，断口绝大部分区域呈韧窝形貌，这—现象证实了材料产生了回火脆性。
同时于断裂的离心摆断口弯曲一平台侧一面，发现存在一定的不规则裂纹和孤立的掉块区域，且掉块区域内部的晶粒与晶界明显，这说明材料的晶界的强度较低，在受到载荷作用时，材料沿晶界开裂，裂纹沿晶界扩展，严重时造成局部材料掉落，也说明材料发生了回火脆性。
硬度测试表明，断裂件材料的硬度约为438HBS，通过查阅《航空材料手册》3Crl3材料的硬度与回火温度的关系逆向推算可知，此种材料的回火温度应在520-550℃之间。此批零件的热处理记录可知，回火温度是526℃。而HB／Z80-84《航空用不锈钢，耐热钢热处理工艺说明书》中提及3Crl3材料应避开350-550℃区间回火，在此区间内材料易产生回火脆性。《金属材料金属图谱》中也提到，600℃回火时，由于3Crl3的回火脆性倾向，也应该较快的速度进行冷却。
通过金相组织检查发现，组织为保留了马氏体位向的回火索氏体，试验发现，此种材料的组织内存在一定的条带状分布的析出碳化物，这种形式的碳化物不可避免的会存在于锻件中，在晶界上存在的这种碳化物，可能是造成热模拟试验中晶界弱化的原因，但是少量的此种碳化物不会使材料性能明显下降。
因此可以推断，此批零件断裂的主要原因是由于热处理回火温度位于回火脆性区间内，造成了材料产生了回火脆性，造成材料晶界弱化，弱化的晶界成为材料破坏与裂纹扩展的优先通道，在载荷作用下发生沿晶断裂。
四、结论与建议
1、离心摆断口为沿晶脆断特征；
2、沿晶脆断主要是由于材料在回火脆性区间内回火，产生了回火脆性：
3、零件的金相组织为保留了马氏体位向的回火索氏体，组织内存在一定的条带状分布的析出碳化物，这种碳化物会使晶界弱化；
4、建议严格控制制造过程的回火温度或选用其他适合的材料。
参考文献
[1] 中国航空材料手册编辑委员会编.中国航空材料手册第2版[M].北京：中国标准化出版社，2008：204—319
[2] 张祖贤.兵器黑色金属材料手册[M].北京：兵器工业出版社，1990：18—21
[3] CLYNETW，WOLFM，KURZW.TheEffectofMeltComDositiononSolidificationCrackingofSteelWithParticularReferencetoContinuousCasting[J].MetallurgicalTransactions，1982，13B（2）：259—265