Page 67 - 理化检验-物理分册2021年第一期
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赵 杨, 等: 火箭发动机壳体开裂原因


            堆垛层错、 微观弹性畸变等缺陷              [ 8 ] 。通过金相检验         空位、 位错、 晶粒边界等相互作用, 结合成氢分子, 形
            可以判断壳体显微组织为回火马氏体, 裂纹两侧均                            成次生裂纹     [ 14 ] 。在外载荷、 水压压力、 应力腐蚀和
            未见脱碳现象, 同时也未见粗大的针状马氏体, 没有                          氢的作用下, 晶粒沿晶界撕裂, 由内表面逐渐扩展到
            组织过热的迹象。由于热处理后会再次进行无损探                             外表面, 从 而 导 致 壳 体 发 生 开 裂, 形 成 沿 晶 断 口
            伤检测, 而检测结果同样符合设计要求。因此排除                            形貌。
            了热处理前开裂和热处理加热过程导致开裂的可能                                 壳体的水压试验和静力试验, 两次试验之间间

            性。此外, 在热处理后壳体会进行水压试验, 并未见                          隔近 7d ( 天)。水压试验时, 在内、 外力和腐蚀等影
            漏水现象, 也可以证明壳体在热处理后未出现开裂。                           响因素的作用下, 并未达到壳体开裂的临界点, 壳体
                 在静力试验过程中, 壳体受到水压和一定的外                         没有开裂。然而, 水压试验后壳体还存在没有烘干
            载荷作用, 壳体内部产生应力, 且主要为环 向应力                          的情况, 这为氢的扩散和应力腐蚀提供了一定的条

            ( 为轴向应力的 2 倍), 故而壳体在水压环向应力和                        件。此外, 吊挂体承载试验过程中进行 80h 的注水
            本身存在的残余应力叠加作用下会出现微量的塑性                             悬挂, 加剧了应力腐蚀开裂和氢致延滞开裂的敏感
            变形。当残余应力方向与壳体受力方向一致时, 会                            性。所以, 只有在外载荷、 水压压力、 内应力、 应力腐
            导致壳体的耐压能力急剧降低。当壳体本身具有缺                             蚀、 氢等因素联合作用于壳体缺陷并达到一定程度
            陷( 空位、 位错、 微裂纹等) 时, 水压和应力会叠加作                      时, 才会使得壳体在静力试验过程中发生开裂。
            用在壳体缺陷处, 从而加剧裂纹的形成                  [ 9 ] 。由于水    3  结论及建议
            压试验时室内空气潮湿, 而且水压试验和静力试验
            所使用的水是普通自来水, 水中含有一些活性离子                                成分偏析导致壳体在旋压过程中产生微观裂
                    [ 10 ]
               -
            ( Cl 等) 。壳体受到水压和内应力的双重作用,                          纹; 在水压试验过程中, 水中的活性离子会加速裂纹
            壳体的薄弱部位( 空位、 位错、 缺陷、 微裂纹及晶界处                       的扩展, 导致壳体在静力试验时发生氢脆和应力腐
            的碳化物等) 会重新形成裂纹。而 Cl 会在裂纹尖                          蚀开裂。
                                              -
            端聚集, 作为阳极与铁基体发生反应, 加速铁基体的                              建议在水压试验中使用去离子水, 减少应力腐
                                                               蚀开裂的可能性; 在水压试验后应及时烘干, 缩短壳
            腐蚀, 使得裂纹向壳体厚度方向扩展。在应力和腐
            蚀介质的联合作用下, 在缺陷处产生应力集中, 使得                          体在潮湿环境中的时间, 减少壳体发生腐蚀和氢致
            金属表面的氧化膜被破坏, 并成为阴极发生氧的还                            延滞开裂的可能性。
            原反应, 通过电化学过程继续扩展、 传播, 最终导致                         参考文献:
            金属材料发生断裂         [ 11 ] 。在电化学反应过程中, 还会
                                                                [ 1 ]   田晓麟 .30Cr3 钢薄壁管状工件形变热处理工艺的研
            产生氢离子, 氢离子渗入金属, 从而加剧氢 脆敏感
                                                                    究[ D ] . 上海: 上海交通大学, 2013.
            性。当壳体受外载荷作用时, 原子氢通过应力诱导
                                                                [ 2 ]   樊兆宝, 任飞宇, 安绍孔, 等 .30Cr3SiNiMoVA 钢动力
            扩散聚集到晶界, 当达到临界值后引起氢致裂纹的
                                                                    舱段壳体 的 焊 接 应 用 研 究 [ J ] . 航 空 精 密 制 造 技 术,
            形核、 扩展从而导致低应力断裂。应力腐蚀开裂和
                                                                    2008 , 44 ( 5 ): 36-40.
            氢致延滞开裂是相互促进的, 阳极溶解, 使得金属开                           [ 3 ]   秦杰士 .30Cr3SiNiMoVA 钢 的 研 制 简 介 [ J ] . 宇 航 材
            裂, 阴极吸氢, 最终导致了延滞开裂。一般钢中氢质                               料工艺, 1984 ( 6 ): 67-80.
            量分数大于 0.0005% 时 会 产 生 氢 致 裂 纹, 但 对 于                [ 4 ]   任洁, 赵文珍, 吴洪新 . 旋压成型波纹管的内表面裂纹

            30Cr3SiNiMoVA 钢这种低合金超高强 度 钢, 即 使                        生成机理与对策[ J ] . 机 械 设 计 与 制 造, 1998 ( 4 ): 35-
            钢中氢质量分数小于 0.0001% , 在一定的载荷作用                            36.

            下, 处于点阵间隙中的氢原子也会通过扩散驻留在                             [ 5 ]   赵迎祥, 肖亚航 . 工程材料微裂纹自愈合技术及其机
            晶界 和 非 金 属 夹 杂 物 上, 从 而 导 致 氢 致 延 滞 开                   理[ J ] . 热加工工艺, 2003 ( 4 ): 44-46.
                                                                [ 6 ]   安敬竹 . 金属材料损伤的发展[ J ] . 国 外 金 属 热 处 理,
            裂 [ 12 ] 。同时, 低合金超高强度钢和回火马氏体组织
                                                                    1996 , 17 ( 4 ): 2-6.
            对氢脆的 敏 感 性 较 大, 成 分 偏 析 较 容 易 捕 获 氢 原
                                                                [ 7 ]   韦东滨, 韩静涛, 谢建新, 等 . 热塑性变形条件 下 钢 内
            子 [ 13 ] 。马氏体具有较大的位错, 吸氢量较大, 氢原
                                                                    部裂纹愈合的实验研究[ J ] . 金属学报, 2000 , 36 ( 6 ):
            子很小, 只会在位错驻留, 而位错是氢陷阱。钢中的
                                                                    622-625.
            氢通常以原子形式存在, 但为降低能量, 氢原子会与                                                            ( 下转第 57 页)
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