圖 1 膜盒組合件宏觀形貌
分享：膜盒組合件泄漏原因
膜盒組合件由多個金屬膜片精密焊接組合而成，作為一種彈性敏感元件，其在工作過程中主要用于感受壓力的變化，具有精度高、線性好、位移量大、靈敏度高和滯后小等優點[1]，廣泛應用于航空、航天、航海、壓力測試及自動化等領域[2-4]。通常要對膜盒組合件進行壓力循環試驗，考察其彈性和抗疲勞性能。膜盒組合件泄漏的原因一般來源于膜片自身缺陷、焊縫缺陷、工作載荷或使用環境等。
以PH15-7Mo為代表的沉淀硬化不銹鋼兼有奧氏體不銹鋼和馬氏體不銹鋼的優點，具有良好的耐蝕性和焊接性能，在固溶狀態下具有較好的加工成型性能，而在最終的熱處理狀態下，該鋼具有較高的強度和良好的綜合性能，使其適用于制造飛行器構件、彈性元件、彈簧和閥膜等部件[5-8]。某膜盒組合件膜片由牌號為PH15-7Mo的沉淀硬化不銹鋼帶材經碾壓、成型、固溶、切邊、沖孔和時效等工序加工而成。該膜盒組合件經6萬次壓力循環試驗后發生泄漏，按照設計要求，該膜盒組合件能夠經受20萬次壓力循環試驗，該泄漏事故屬于早期失效。為確定該膜盒組合件泄漏的原因，筆者采用一系列理化檢驗方法對泄漏原因進行分析，并針對膜盒組合件的質量控制提出了建議，以避免該類問題再次發生。
1. 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
經氣密性檢查，膜盒組合件泄漏部位位于壓力端的第3個膜片，膜盒組合件宏觀形貌如圖1所示。將膜盒組合件拆解后，泄漏膜片的內、外表面形貌如圖2，3所示，圓圈處為泄漏位置。
圖 2 泄漏膜片內表面宏觀形貌
圖 3 泄漏膜片外表面宏觀形貌
1.2 掃描電鏡（SEM）分析
在裂紋處截取試樣，將試樣置于SEM下觀察，結果如圖4所示。由圖4可知：穿透性裂紋長度約為2.5 mm，裂紋位于膜片半徑中部，沿徑向延伸，裂紋周圍比較潔凈，未發現明顯的腐蝕痕跡。
圖 4 泄漏膜片裂紋位置SEM形貌
膜片外表面未發現明顯的劃痕、刮痕、凹坑等表面缺陷，從膜片內表面觀察，開裂膜片裂紋位置表面SEM形貌如圖5所示。由圖5可知：裂紋所在部位有兩處明顯的刮傷痕跡，分別命名為刮痕1和刮痕2，裂紋從刮痕處沿徑向向兩側延伸，最后連成一條裂紋。
圖 5 開裂膜片裂紋位置表面SEM形貌
將開裂膜片沿裂紋擴展方向打開后，用超聲波和無水乙醇對試樣進行清洗和晾干，然后觀察裂紋的斷口特征，結果如圖6~11所示。由圖6可知：從整體觀察，斷口比較平齊，未見明顯的塑性變形，呈脆性斷裂特征，裂紋起源于膜片的內表面，有兩處裂紋源區，分別命名為裂紋源區1和裂紋源區2，呈多源特征。兩處裂紋源區分別與圖5的膜片內表面兩處刮痕相對應，裂紋起源于刮痕根部，裂紋從膜片內表面向外表面及兩側擴展，可見明顯的擴展棱線（見圖7,8）；裂紋穩定擴展區有明顯的疲勞條帶特征（見圖9），裂紋快速擴展區呈類解理與韌窩的混合特征（見圖10）；裂紋的最后開裂區呈韌窩特征（見圖11）。
圖 6 裂紋斷口SEM形貌
圖 7 裂紋源區1的SEM形貌
圖 8 裂紋源區2的SEM形貌
圖 9 穩定擴展區SEM形貌
圖 10 快速擴展區SEM形貌
圖 11 最后開裂區SEM形貌
1.3 化學成分分析
采用碳硫分析儀和熒光光譜儀對開裂膜片進行化學成分分析。分別在開裂膜片裂紋附近（位置1）及裂紋相對膜片中心的對稱位置（位置2）取樣，對試樣進行化學成分分析，結果如表1所示。由表1可知：C元素質量分數偏高，其他元素均符合SAE AMS5520G-2009《15Cr-7.1Ni-2.5Mo-1.1Al溶液熱處理沉淀硬化的耐腐蝕耐熱鋼片、鋼帶、鋼箔和鋼板》對PH15-7Mo鋼的要求。
Table 1. 開裂膜片的化學成分分析結果
| 項目 | 質量分數 | ||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| C | S | Si | Mn | P | Cr | Ni | Mo | Al | |
| 位置1實測值 | 0.10 | 0.004 9 | 0.36 | 0.64 | 0.028 | 15.00 | 7.05 | 2.11 | 0.91 |
| 位置2實測值 | 0.094 | 0.003 2 | 0.32 | 0.58 | 0.030 | 15.01 | 6.99 | 2.05 | 0.96 |
| 標準值 | ≤0.09 | ≤0.030 | ≤1.00 | ≤1.00 | ≤0.040 | 14.00~16.00 | 6.50~7.75 | 2.00~3.00 | 0.75~1.50 |
1.4 金相檢驗
在開裂膜片裂紋位置截取金相試樣，對試樣進行鑲嵌、打磨、拋光和腐蝕后，采用光學顯微鏡觀察其微觀形貌，結果如圖12所示。由圖12可知：開裂膜片的內、外表面均有輕微增碳現象，而膜片的生產工序中無滲碳工藝，推斷在成型后的熱處理過程中，膜片表面受到了碳化物污染，造成表面增碳；膜片中心部位的顯微組織為馬氏體+金屬間化合物，顯微組織正常。
圖 12 開裂膜片顯微組織形貌
1.5 硬度測試
在開裂膜片裂紋附近截取硬度試樣，對試樣進行鑲嵌、打磨和拋光后，用顯微硬度計測試基體材料的硬度，開裂膜片的硬度分別為468，471，472，480，473 HV0.2，平均值為474 HV0.2，依據標準SAE AMS 5520G—2009，膜片采用RH950制度進行熱處理后的洛氏硬度應滿足不小于45 HRC的要求，依據GB/T 1172—1999《黑色金屬硬度及強度換算值》，將顯微硬度474 HV0.2換算成洛氏硬度，結果為47.4 HRC，符合技術要求。
2. 綜合分析
由以上理化檢驗結果可知，膜盒組合件開裂膜片的硬度和心部顯微組織符合標準要求，化學成分中的C元素含量偏高，開裂膜片的內、外表面有輕微增碳現象，而膜片的生產工序中無滲碳工藝。通過質量復查，膜片成型前材料化學成分和表面顯微組織正常，可以判斷膜片在成型后熱處理過程中受到碳化物污染，造成表面增碳和化學成分中的C元素含量偏高，導致膜片表面的脆性增強，抗疲勞性能降低。
膜片內表面有兩處明顯的刮傷痕跡，裂紋起源于刮痕位置，沿徑向向兩側延伸，最后連成一條裂紋。斷口呈脆性斷裂特征，裂紋起源于膜片的內表面，裂紋源區有兩處，呈多源特征，兩處裂紋源區分別與膜片內表面兩處刮痕相對應，裂紋起源于刮痕根部，裂紋從膜片內表面向外表面及兩側擴展，可見明顯的擴展棱線，裂紋穩定擴展區有明顯的疲勞條帶特征，裂紋快速擴展區呈類解理與韌窩的混合特征，裂紋最后開裂區呈韌窩特征，說明膜片的開裂性質為疲勞開裂。
綜上所述，膜盒組合件第3個膜片開裂的主要原因是膜片內表面有兩處刮傷痕跡，引起局部應力集中，產生微裂紋，在壓力循環試驗過程中的交變應力作用下，裂紋不斷向外表面及兩側擴展，最后導致膜片發生疲勞開裂。開裂膜片的內、外表面有輕微增碳現象，使膜片表面的脆性增強，韌性降低，加速了裂紋的形成與擴展。
3. 結論及建議
（1）膜盒組合件發生泄漏的原因是壓力端的第3個膜片開裂，開裂性質為疲勞開裂。第3個膜片開裂的主要原因是膜片內表面有兩處刮傷痕跡，引起局部應力集中，產生微裂紋，在壓力循環試驗的交變應力作用下，裂紋不斷擴展，膜片的內、外表面有輕微增碳現象，加速了裂紋的形成與擴展，最后導致膜片發生疲勞開裂現象。
（2）建議嚴格控制膜片的表面品質，規范工藝過程檢驗程序，避免使用表面有缺陷的膜片。
（3）建議嚴格控制膜片制造過程的熱處理工序，防止膜片表面受到碳化物污染，發生表面增碳現象。
文章來源——材料與測試網
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