排氣管掛鉤失效探析范文

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《寶鋼技術》2016年第3期

摘要:

通過金相顯微鏡、掃描電鏡和能譜等手段分析了某汽車排氣管用掛鉤疲勞斷裂失效的原因。結果表明，排氣管掛鉤斷裂位于焊接接頭附近，腐蝕疲勞起源于掛鉤表面的點蝕坑，點蝕由氯離子和吸氧腐蝕共同作用引起。排氣管掛鉤在使用過程中承受著交變應力的作用，裂紋由點蝕坑逐漸擴展直至穿透管壁。焊縫附近的斷口處發現明顯的疲勞輝紋、疲勞臺階、二次裂紋、晶間腐蝕以及一些腐蝕產物等，遠離焊縫處只有典型的疲勞輝紋和光亮磨痕，整個疲勞斷裂過程由腐蝕疲勞向機械疲勞逐漸轉變，直至斷裂。

關鍵詞:

腐蝕疲勞;疲勞失效;鐵素體不銹鋼;排氣管掛鉤

鐵素體不銹鋼是一種經濟型不銹鋼，具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性，可以作為汽車排氣管掛鉤用鋼。掛鉤一方面要承受排氣管的振動，另一方面要受排氣管溫度的影響和北方道路含有大量氯離子的雪鹽的影響。材料的腐蝕疲勞是指材料在腐蝕介質和疲勞載荷共同作用下的損傷破壞行為，其影響因素包括環境因素、冶金因素和力學等多方面。金屬材料在這種交變載荷和腐蝕環境共同作用下抗疲勞斷裂能力明顯下降，具有較大的危害［1－2］。李志義等［3］按照材料發生腐蝕疲勞的破壞機理不同，將腐蝕疲勞分為活化狀態下的腐蝕疲勞和鈍化狀態下的腐蝕疲勞，鈍化狀態下的腐蝕疲勞又可分為純鈍化狀態下的腐蝕疲勞和疊加了其他腐蝕現象的腐蝕疲勞，不銹鋼是典型的鈍化狀態下材料。本文通過金相、掃描電鏡等對某車的排氣管掛鉤斷口和腐蝕產物進行分析，以探究不銹鋼在此條件下的失效機理。

1材料及分析方法

失效部件取自某路試的車輛，路試沒有滿足3年的設計要求。按照GB/T11170—2008，通過SPECTROM9型直讀光譜對排氣管掛鉤進行化學成分測定，分析結果見表1，此材料為SUH409L鐵素體不銹鋼。排氣管掛鉤斷裂位置位于掛鉤的管與管的焊接處，如圖1所示。在掃描電鏡下首先對失效件的表面腐蝕產物進行能譜分析;然后在超聲波中清洗試樣斷口后再次觀察斷口形貌;最后，將斷口磨平、拋光、侵蝕，在Lecia金相顯微鏡下對斷口部位的顯微組織進行觀察。

2試驗結果

2．1宏觀形貌分析

在圖2中可以看出斷口表面氧化程度不同，靠近焊縫處A處氧化最嚴重，顏色最暗;B、C處氧化次之;焊縫對側的E處為金屬色澤，有少量的氧化;另外在斷口D處可以發現有一定的光亮磨痕。

2．2疲勞裂紋源分析

2．2．1斷口及能譜分析

對圖2中的A附近斷口觀察，在電鏡下放大11倍時可以看出在焊縫處有明顯的裂紋，并且已經穿透了管壁。將此處放大可以看到裸露在外的晶粒，晶粒的尺寸約為30μm(圖3)，裸露的晶粒上還有一層附著物，通過能譜分析(圖4)，可以看到腐蝕產物中有氯離子和氧化物的存在。

2．2．2顯微組織分析

將斷口面磨平，從金相中可以看出焊縫附近有a～d等4處點蝕坑和穿透管壁的裂紋，其中已經有裂紋從c處逐漸擴展，如圖5所示。母材的晶粒為7級，處于正常水平，焊縫處最大晶粒可達200μm，如圖6所示。

2．3疲勞裂紋穩態擴展區分析

圖2中的B、C、D處斷口發現大量的疲勞輝紋和疲勞臺階，并伴有氧化和二次裂紋，越靠近焊縫接頭處，氧化越嚴重，此形貌為典型的腐蝕疲勞形貌(圖7)。從B、C、D三處疲勞輝紋的法線方向可以看出疲勞源位于焊縫接頭附近的A處，然后逐漸擴展到B、C、D處，最終擴展到E處;同時D處部分輝紋已經被磨平，是由于其在循環應力作用下，反復的張開和閉合使斷口上下表面不斷地進行摩擦，最終形成了斷口上較為平坦光滑的區域［4］。在裂紋穩態擴展區，疲勞斷裂機制已由腐蝕疲勞向機械疲勞逐漸轉變。

2．4疲勞裂紋高速擴展區分析

圖2中的E處在掃描電鏡下可以看出大量的光亮磨痕，并且此處的疲勞輝紋相對較淺，如圖8所示，此處為斷裂后期，仍為韌性斷裂。

3分析與討論

3．1疲勞裂紋起源和擴展

疲勞弧線是由于載荷譜變化而在斷裂面上留下的裂紋擴展瞬時前沿線，它的法線方向即為該點的疲勞裂紋擴展方向［5］。根據疲勞輝紋的法線方向，可以判斷裂紋起源于焊縫接頭附近的A處，此處有一定數量的點蝕坑和裸露的晶粒，并且疲勞裂紋表面覆蓋有大量的氧化物。在疲勞擴展穩態區可見大量的疲勞輝紋，并有大量的二次裂紋、少量的氧化和磨痕。在高擴展速率區，疲勞輝紋比較淺，并有大量的磨痕，沒有出現脆斷的斷口形貌。可見，隨著疲勞裂紋的不斷擴展，斷裂機制逐漸由腐蝕疲勞向機械疲勞轉變。

3．2疲勞裂紋源的機理探究

在焊縫熱影響區發現了a、b、c、d四處點蝕坑，見圖5。焊縫熱影響區較基體和焊縫位置的硬度低，在循環載荷的作用下，此處局部滑移造成表面鈍化膜損壞和化學性不均勻。在腐蝕環境中，尤其是氯離子等腐蝕介質的存在，往往會促進點蝕坑在金屬表面的電位不均勻部位形成，引發點腐蝕;加上排氣管溫度的作用，加速了腐蝕和氧化的進行，加劇了腐蝕疲勞過程中載荷交互作用的復雜化［6－9］。關于點蝕對裂紋形成的影響，周向陽等［10］認為不銹鋼點蝕萌生后快速擴展，當應力集中達到一定值時在腐蝕支持下沿晶開裂，形成裂紋擴展。李志義等［3］認為點蝕坑在腐蝕環境與疲勞載荷交互作用下不斷演化，小孔根部產生應力集中，在不需要很大的循環載荷、不長的時間內，就會形成穿透性裂紋。

4結論

(1)排氣管掛鉤整個疲勞斷裂過程是由腐蝕疲勞逐漸向機械疲勞過渡，在焊接接頭附近產生腐蝕疲勞，有晶間腐蝕和大量的氧化、疲勞輝紋和二次裂紋等;疲勞斷裂階段的斷口形貌主要有大量的疲勞輝紋和光亮磨痕。

(2)疲勞裂紋起源于焊接的熱影響區，由于熱影響區硬度低產生的局部塑性變形和高溫、氯離子等條件的影響，點蝕坑形成并最終由于應力集中達到臨界狀態轉化為腐蝕疲勞，腐蝕疲勞不斷擴展，斷裂機制逐漸由腐蝕疲勞向機械疲勞轉變并最終導致金屬斷裂。

(3)初步判斷，SUH409L強度較低，耐蝕性較差，不足以滿足疲勞設計的要求，建議排氣管掛鉤采用耐蝕性及疲勞強度較好的SUS304，1．4003不銹鋼等材料。

參考文獻：

［1］張正貴，周兆元，劉長勇．高強度鋁合金構件腐蝕疲勞失效分析［J］．中國腐蝕與防護學報，2008，28(1):48－52．

［2］潘明陽，嚴立，張會，等．16Mn鋼在海水中腐蝕疲勞斷口形貌分析［J］．大連海事大學學報，1998，24(4):79－82．

［3］李志義，丁信偉．金屬材料的腐蝕疲勞［J］．化工機械，1995，22(4):239－248．

［4］趙光菊，鐘蜀暉，鄧建華．TA6V鈦合金疲勞斷口形貌及斷口分析［J］．貴州工業大學學報(自然科學版)，2007，36(6):25－28．

［5］朱洪武，劉雅政，周樂育，等．22Si2MnCrNi2MoA釬桿斷裂失效分析［J］．北京科技大學學報，2013，35(5):613－619．

［6］黃小光，許金泉．點蝕演化及腐蝕疲勞裂紋形核的能量原理［J］．固體力學學報，2013，34(1):7－12．

［7］柯偉，李勁．腐蝕疲勞過程中載荷間交互作用的研究［J］．腐蝕科學與防護技術，1999，11(2):112－117．

［10］周向陽，柯偉．點蝕坑的形貌與腐蝕疲勞裂紋萌生［J］．金屬學報，1992，28(8):357－360．

作者:劉春粟 畢洪運 單位:寶山鋼鐵股份有限公司研究院 汽車用鋼開發與應用技術國家重點實驗室( 寶鋼)