CT机X射线防护箱体裂纹成因分析

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(中国科学院金属研究所, 沈阳 110016)

质量控制与失效分析

CT机X射线防护箱体裂纹成因分析

高金柱,盖秀颖

(中国科学院金属研究所, 沈阳 110016)

某CT机X射线防护箱体在安装过程中发现裂纹，为了找出裂纹产生的原因，利用体视显微镜、直读光谱仪、光学显微镜、扫描电子显微镜等仪器对箱体的断口形貌、化学成分和显微组织等进行了观察和分析。结果表明：该X射线防护箱体上的裂纹是在铸造后、热处理之前或热处理过程中产生的，裂纹的产生与该部位存在较严重的疏松缺陷和较发达的枝晶组织有关，这不仅降低了箱体材料的强度和韧性，而且增加了材料内部的残余应力。

X射线防护箱体; 裂纹; 疏松; 枝晶

材料最薄弱的区域往往会成为失效开始的源头，同时在失效的起始位置会留存失效过程的信息，对失效零件进行分析，可以找出其产生失效的主要原因及预防措施。工件产生失效的原因有很多，大体上包括设计不合理、选材不当及存在材料缺陷、制造工艺不合理、使用操作和维修不当等[1-9]。针对失效原因，采取改进措施，可以有效预防类似失效的再发生。

ZG45钢硬度适中，易切削加工，且调质处理后具有较好的综合力学性能，广泛应用于各类重要的结构零件[10]。某CT机用X射线防护箱体材料为ZG45铸钢，为了达到应有的强度及防护效果，其采用的生产工艺流程为冶炼→铸造→热处理→镀锌等，但在安装时发现箱体拐角处存在裂纹。笔者通过对失效箱体进行断口形貌观察、化学成分分析以及显微组织观察分析，对该X射线防护箱体的失效原因展开了全面的分析与研究，找出了其开裂的根本原因，并提出了改进措施。

1 理化检验

1.1宏观分析

失效X射线防护箱体的宏观形貌如图1所示，箱体表面有锌涂层防护。裂纹产生的位置如图2所示。断口宏观形貌如图3所示，可以看到箭头所指位置(A区域)的颜色与其他部位的不一样。将图3中A区域放大，在断口上还可看到柱状晶形貌，将B区域放大可见有红棕色的锈蚀，如图4所示。

图1 失效X射线防护箱体宏观形貌Fig.1 The macro morphology of the failure X-ray protection box

图2 箱体上裂纹宏观形貌Fig.2 The macro morphology of crack on the box

图3 箱体断口宏观形貌Fig.3 The macro morphology of fracture of the box

图4 图3中A区域和B区域放大断口形貌Fig.4 The magnified fracture morphology of a) region A and b) region B in Fig.3

1.2断口微观形貌分析

在扫描电镜下观察，箱体断口的形貌特征如下：图5a)是图3中裂纹源区的微观形貌，在裂纹源的C位置可观察到断口表面较光滑，能谱(EDS)分析可见其表面覆盖物的元素成分主要为锌，如图5b)所示；进一步观察图5a)中D区域的断口形貌，可见断口上有较粗的柱状晶，如图5c)和图5d)所示。高倍下观察到柱状晶的表面为光滑自由面，由此说明此处是较大的疏松。该部位的能谱分析结果显示表面只含有硫和锰元素，这些元素属于基体中包含的元素，并可能在疏松区域存在较多的硫化锰夹杂物，如图5d)所示；图5e)是人工打开形成的断口形貌，可以观察到断口特征主要为韧窝和自由表面，这进一步说明材料的基体中存在显微疏松。通过断口分析可知，该箱体断口上铸造疏松缺陷较多，裂纹源处有锌层覆盖。

1.3化学成分分析

对开裂箱体进行化学成分分析，结果见表1。可见该箱体化学成分符合GB/T 699-2015《优质碳素结构钢》对ZG45钢(45钢)成分的技术要求。

表1 箱体化学成分分析结果(质量分数)Tab.1 The analysis results of chemical compositionsof the box (mass fraction) %

1.4力学性能试验

在箱体平面区域取拉伸试样和冲击试样，试验结果见表2。可见该箱体的拉伸性能和冲击性能均较低，拉伸和冲击断口上均有肉眼可见的铸造疏松缺陷。

表2 箱体室温力学性能试验结果Tab.2 The testing results of mechanical propertiesof the box at room temperation

图5 箱体断口微观形貌及能谱分析结果Fig.5 The micro morphology and energy spectrum analysis results of fracture of the box: a) the morphology of the crack source region; b) the morphology of zone C and the corresponding EDS spectrum; c) the morphology of zone D; d) the morphology of zone D and the corresponding EDS spectrum; e) the morphology of the artificially opened fracture

图6 抛光态断口表面的镀锌层形貌Fig.6 The morphology of galvanized layer on the fracture surface in polishing state

1.5金相分析

在箱体断口处取样制备金相试样，抛光后在光学显微镜下可观察到镀锌层和显微疏松，如图6所示,镀锌层渗入断口内部，说明镀锌之前裂纹就已经存在。试样侵蚀后在光学显微镜下观察可见，断口处的镀锌层下方是脱碳严重的白色铁素体，并且垂直断口面的深度较深,由断口表面到1.72 mm深度处，均能观察到脱碳现象，如图7所示，断口处存在脱碳层说明裂纹在热处理之前就已经产生。在断口处的低倍组织中还能观察到较发达的枝晶状显微组织，如图8所示，说明该区域的凝固速率较大。断口处的显微组织主要是铁素体和显微疏松，如图9所示。箱体基体显微组织为铁素体和片状珠光体，属于正火态正常显微组织，如图10所示。

图7 断口处的脱碳形貌Fig.7 The decarburization morphology of the fracture position

图8 断口处的枝晶形貌Fig.8 The dendrite morphology of the fracture position

图9 断口处的显微组织形貌Fig.9 The microstructure morphology of the fracture position

图10 基体显微组织形貌Fig.10 The microstructure morphology of the matrix

2 分析与讨论

由以上理化检验结果可知：该CT机用X射线防护箱体的化学成分符合GB/T 699-2015对ZG45钢成分的技术要求；但拉伸性能和冲击性能均低于标准技术要求，力学性能偏低可能与材料中存在明显的铸造疏松缺陷有关。

扫描电镜下观察可见裂纹源部位断口表面覆盖有镀锌层，这说明该箱体在镀锌之前就已经存在裂纹，断口上除了有镀锌层外，还观察到了较大的枝晶生长节，枝晶表面光滑，说明裂纹源处存在较严重的铸造疏松缺陷。

CT机X射线防护箱体的裂纹可能为铸造后裂纹、机械加工裂纹以及热处理裂纹。如果裂纹位于箱体表面，在进行热处理时，裂纹接触到空气，裂纹周边会有明显的氧化脱碳现象[6]。沿箱体裂纹打开形成断口，断口上可见镀锌层，且镀锌层下方不仅有全脱碳区域，而且脱碳较深，距断口表面大约1.72 mm深度范围内均有较严重的脱碳行为，结合X射线防护箱体的生产过程及热处理工艺，以及裂纹的形态和产生位置进行判断，箱体表面裂纹产生于铸造后、热处理之前或热处理的加热过程中，导致在热处理过程中断口表面出现严重的脱碳行为。此外，断裂源处存在发达的树枝晶，这将增加铸件内部的残余应力，促使裂纹扩展。

3 结论

该CT机X射线防护箱体上的裂纹是在铸造后、热处理之前或热处理过程中产生的，裂纹的产生是由于该部位存在较严重的铸造疏松缺陷和较发达的枝晶组织，降低了材料强度和韧性的同时，还增加了材料内部的残余应力。

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CauseAnalysisonCracksofanX-rayProtectionBoxUsedforCTMachines

GAOJinzhu,GAIXiuying

(Institute of Metal Research，Chinese Academy of Sciences, Shenyang 110016, China)

Cracks were discovered on an X-ray protection box used for CT machines during installation. To find out the causes of the cracks, instruments such as stereo microscope, direct reading spectrometer, optical microscope and scanning electron microscope were used to analyze the fracture morphology, chemical compositions and microstructure of the box. The results show that the cracks formed after casting and before heat treatment or during heat treatment. And the formation of cracks was related to the existence of serious casting porosity defects and more developed dendrite structure which not only reduced the strength and toughness of the box material, but also increased the internal residual stress of the material.

X-ray protection box; crack; porosity; dendrite

TG142.1

B

1001-4012(2017)10-0761-04

10.11973/lhjy-wl201710015

2016-09-30

高金柱(1985-)，男，助理研究员，工学博士，主要从事材料的组织分析工作，jzgao11b@imr.ac.cn