B50A789鋼
B50A789鋼是制造燃?xì)廨啓C(jī)壓氣機(jī)葉片和導(dǎo)向葉片的常用材料。從成分特點(diǎn)看，B50A789鋼與17-4PH合金結(jié)構(gòu)鋼(0Cr17Ni4Cu4Nb)相似，均屬于沉淀硬化型馬氏體不銹鋼，其強(qiáng)化機(jī)制主要是依靠富銅相的時效強(qiáng)化和鉬、鈮的沉淀強(qiáng)化。
夏比沖擊試驗(yàn)方法是測試材料力學(xué)性能的重要手段之一，被廣泛用于評定B50A789鋼在沖擊載荷下的韌脆特性。
事故背景
2010年1月份，某公司在對多批次大規(guī)格(?≥100mm)棒材進(jìn)行入廠檢驗(yàn)過程中多次發(fā)現(xiàn)其橫向沖擊吸收能量不合格問題。
理化檢驗(yàn)
1、沖擊試驗(yàn)
選取一根規(guī)格為?120mm的B50A789鋼棒材，沿其橫截面方向采用線切割法截取四塊棒料，棒料厚度為15mm，其中棒材頭部的兩塊棒料編號為H1，H2，棒材尾部的兩塊棒料編號為B1，B2。在H1，H2，B1，B2號棒料上各切取10個尺寸為12mm×15mm×55mm的沖擊試樣毛坯，取樣位置及編號如圖1所示(其中x為1，2)。
圖1 沖擊試樣毛坯截取位置示意圖
按照企業(yè)技術(shù)文件要求對上述沖擊試樣毛坯進(jìn)行熱處理，除了編號為H1-1~H1-10號沖擊試樣毛坯的熱處理工藝為1038℃保溫1h→水冷→577℃保溫4h→空冷，其他的沖擊試樣毛坯的熱處理工藝均為1038℃保溫1.5h→水冷→577℃保溫7h→空冷。
采用MBG1432型磨床和X5032型銑床將經(jīng)過熱處理后的沖擊試樣毛坯加工為沖擊試樣，缺口均為“V”型，但缺口開槽方向不同：H1，H2，B1棒料沖擊試樣均沿橫向開槽，而B2棒料沖擊試樣沿縱向開槽，開槽位置如圖2和圖3所示。
圖2 H1，H2，B1棒料沖擊試樣開槽位置示意圖
圖3 B2棒料沖擊試樣開槽位置示意圖
采用JBN-300B型沖擊試驗(yàn)機(jī)對上述沖擊試樣進(jìn)行沖擊試驗(yàn)，結(jié)果如表1所示。
表1 棒材沖擊試樣沖擊試驗(yàn)結(jié)果J
可見取自棒材頭部的沖擊試樣的橫向沖擊吸收能量均不符合標(biāo)準(zhǔn)的要求(不小于54.2J)。
2、斷口分析
從H1，H2，B1，B2號棒料沖擊試樣斷口取樣，使用Leica MZ16型體視顯微鏡觀察試樣的形貌。
圖4 H1號沖擊試樣斷口宏觀形貌
圖5 H2號沖擊試樣斷口宏觀形貌
由圖4和圖5可見，取自棒材頭部且靠近棒料中心的H1-4，H1-5，H2-4，H2-5號沖擊試樣斷口的層狀結(jié)構(gòu)較明顯，而靠近棒料邊緣的H1-1，H1-8，H2-1，H2-8號沖擊試樣斷口的層狀結(jié)構(gòu)不明顯。
圖6 B1號沖擊試樣斷口宏觀形貌
圖7 B2號沖擊試樣斷口宏觀形貌
由圖6和圖7可見，從棒材尾部截取的兩種開槽方式的沖擊試樣斷口處層狀結(jié)構(gòu)均不明顯。
3、金相檢驗(yàn)
在H1-4號沖擊試樣斷口取樣，試樣經(jīng)打磨、拋光后，采用Axiovert 200MAT型金相顯微鏡觀察顯微組織形貌。可見H1-4號試樣有較嚴(yán)重的沿棒材縱向分布的條帶狀夾雜，如圖8所示。
圖8 不同沖擊試樣腐蝕前的顯微組織形貌
試樣采用FeCl3鹽酸溶液(10gFeCl3＋25mLHCl＋100mLH2O)浸蝕后，采用Axiovert 200MAT型金相顯微鏡觀察顯微組織形貌?？梢奌1-4號試樣存在明顯的沿棒材縱向分布的條帶組織，如圖9所示。
圖9 不同沖擊試樣腐蝕后的顯微組織形貌
4、硬度測試
采用LM-700AT型顯微硬度計(jì)對B1-4號沖擊試樣斷口的條帶組織和基體進(jìn)行硬度測試，各取5個測試點(diǎn)，得到條帶組織的硬度平均值為347HV0.1，基體的硬度平均值為353HV0.1，可見條帶組織的硬度與基體的較接近。
5、化學(xué)成分分析
分別在H1-4，B1-4號沖擊試樣斷口取樣，使用TTTAN4798型直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析。結(jié)果表明H1-4號沖擊試樣中鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較高，達(dá)到0.72％，B1-4號沖擊試樣中鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)較低，為0.64％，H1-4，B1-4號沖擊試樣中碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)分別為0.037％和0.036％，均符合企業(yè)技術(shù)文件要求。
分析與討論
由沖擊試驗(yàn)結(jié)果可知，H1號棒料沖擊試樣的橫向沖擊吸收能量均不符合標(biāo)準(zhǔn)要求，取自棒料中心部位沖擊試樣的橫向沖擊吸收能量最低；H2棒料(固溶時效保溫時間延長)沖擊試樣的橫向沖擊吸收能量大部分高于H1號棒料沖擊試樣的，取自H1，H2棒料靠近邊緣的沖擊試樣的橫向沖擊吸收能量要高于棒料中心沖擊試樣的。
由沖擊試樣斷口形貌可知，取自棒料中心沖擊試樣的斷口層狀結(jié)構(gòu)比取自棒料邊緣沖擊試樣的明顯，這種層狀結(jié)構(gòu)是棒材沿縱向分布的帶狀纖維組織，因變形程度不同，橫向沖擊吸收能量低的棒料中心沖擊試樣斷口層狀特征比棒料邊緣沖擊試樣的更顯著，對應(yīng)的縱向帶狀組織也更明顯。通過對原材料廠家調(diào)查，了解到由于企業(yè)技術(shù)文件的升級改版，將B50A789鋼化學(xué)成分中的碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由0.025％~0.05％調(diào)整為0.025％~0.045％，鈮的質(zhì)量分?jǐn)?shù)由碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的8倍~0.5％調(diào)整為0.40％~0.75％(≥碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)的14倍)，降低了碳含量的上限，提高了鈮含量的上限。降低碳含量能使B50A789鋼具有良好的耐蝕性，增加鈮含量是為了通過形成碳化鈮而使碳穩(wěn)定從而抑制碳化鉻的形成。而碳化鈮正是形成斷口層狀結(jié)構(gòu)和帶狀組織的原因。由硬度測試結(jié)果可排除材料硬度不均勻?qū)е碌臎_擊性能差異。
此外，取自棒材尾部兩組試樣沖擊吸收能量較接近，說明開槽方向?qū)_擊吸收能量影響不大，且棒材尾部位于棒料邊緣和中心的沖擊試樣斷口層狀特征均不明顯，無明顯的帶狀組織。
結(jié)論及建議
B50A789鋼大規(guī)格棒材沖擊試樣斷口存在層狀結(jié)構(gòu)和縱向帶狀組織，且棒材頭部層狀結(jié)構(gòu)和縱向帶狀組織比其尾部的更顯著，這導(dǎo)致棒材頭部橫向沖擊吸收能量不合格。
建議通過適當(dāng)延長材料固溶時效保溫時間來減輕或消除條狀組織，以提高棒材橫向沖擊吸收能量的檢驗(yàn)合格率。
作者：劉衛(wèi)東，工程師，中國航發(fā)航空科技股份有限公司
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