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    H13鋼半軸擺輾模具開裂失效分析

    2018-12-06   來源:   點擊數:31次 選擇視力保護色: 杏仁黃 秋葉褐 胭脂紅 芥末綠 天藍 雪青 灰 銀河白(默認色)   合適字體大小:
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       中國鋼管信息港今日要聞:金相組織反射能力差別必須至少為10%以上時,才能反射不同強度的光而被觀察到,然而,拋光后的試樣表面因為入射光線幾乎均勻地被反射回來而不能顯示金相組織。因此,為了看清楚,通常必須將組織造成反差。為得到這種反差,試樣通常需要進行金相進行處理,常用的處理方法包括:化學浸蝕、電解浸蝕、陰極真空浸蝕、熱腐蝕和薄膜干涉法。
      
      純金屬及單相合金的化學浸蝕是一個化學溶解的過程。由于晶界上原子排列不規則,具有較高自由能,所以晶界易受腐蝕而呈凹溝,使組織顯示出來,在顯微鏡下可以看到多邊形的晶粒。若腐蝕較深,則由于各晶粒位向不同,不同的晶面溶解速率不同,腐蝕后的顯微平面與原磨面的角度不同,在垂直光線照射下,反射進入物鏡的光線不同,可看到明暗不同的晶粒。
      
      H13鋼半軸擺輾模具,在使用過程中只加工3~4件鍛件就發生開裂。開裂部位位于模具中心凸起的蘑菇頭中間,并呈整體剝落的開裂形態。我們對該早期開裂失效的模具,進行理化檢測和分析,排查事故發生的原因,尋找解決問題的辦法和措施,使生產加工步入正常,滿足產品的正常交貨期,極大地提高企業經濟效益。
      
      2.宏觀觀察
      
      目測半軸擺輾模具斷口中心部位有兩條清晰的同心圓弧線,圖示下側第一條弧線的邊緣顯示明顯的多臺階條紋,屬于應力集中擴展的特征條帶。斷口上部左右兩側各有一個很深的凹槽,這是用來加工半軸法蘭盤外端面的定位耳模腔。右側定位耳模腔的下側邊緣有略帶弧形的多源臺階條紋,沿條紋處裂紋擴展并向下向左呈環形向前推進,直至左側定位耳模腔處。斷口顯示二次裂紋沿第一次環形裂紋擴展的終止弧線形成一排多源臺階條紋,繼續向上(模具中心部位)擴展,直至上側第二條弧線處。在第二條弧線以上的斷口區域,裂紋迅速擴展至蘑菇頭中間裂開。由此可見第二條弧線以上為裂紋瞬間斷裂區,瞬斷區斷口隱約可見粗晶奈狀斷口,這是過熱組織的特征形貌。
      
      半軸擺輾模具中心斷裂掉下的半個蘑菇頭,蘑菇頭的斷口對應于半軸擺輾模具斷口,圖示上部分的第一條弧線為一次裂紋終止線,弧線上的多源臺階條紋更為清晰,下部分的第二條弧線更為突出,整體的斷口立體感更強,對分析說明更具說服力。
      
      由蘑菇頭表面可以看到左右兩側定位耳模腔的形態,模腔的上部凹槽都已經裂開,下部凹槽保存完好。右側定位耳模腔對應于模具開裂的裂紋源區,且斷口處無明顯變形。左側定位耳模腔斷口邊緣有少量受擠壓損傷的翹曲變形,表明裂紋擴展到最后斷開時,整體掀起產生的擠壓變形,更加佐證了左側定位耳模腔開裂屬于斷裂后期產生的。對斷裂脫開的半只蘑菇頭線切割截取樣塊,進行理化檢測分析。
      
      1~3#樣件均沿斷口邊緣的垂直部位截取。特別說明,由于宏觀觀察定位耳模腔底部凹槽較為尖銳,而且斷裂均沿模腔底部凹槽邊緣形成。為了查明該斷裂面是否存在R角過小的應力集中現象,故沿左右兩側模腔中間部位各截取一塊樣件。同時在斷裂的蘑菇頭中心部位截取樣件,這是為了檢查多次裂紋在擴展過程中,各個階段的斷口特征形貌及組織變化形態。
      
      3.化學分析
      
      在開裂失效的半軸擺輾模具上截取樣塊,樣塊尺寸為25mm×25mm×15mm(長×寬×厚),對此進行化學成分檢測,檢測設備為Labspark5000精密直讀火花光譜儀。檢查結果(見附表)表明,化學成分符合材料標準要求。
      
      4.金相檢測
      
      1#樣件為模具左側定位耳模腔中間部位,金相組織顯示模腔凹槽底部的R角過小,經測量R角半徑只有0.40mm。文獻資料規定,正常加工的臺階及凹槽的R角半徑必須控制在0.50mm以上,否則應力集中將會非常大,極易造成熱處理淬火及使用開裂。
      
      金相組織進一步觀察,沿R角的圓弧面有長短不等的三條裂紋,每條裂紋都幾乎垂直于R角的圓弧面,裂紋深度均在0.10mm以下。高倍率金相檢測,第一條裂紋最長,裂紋開口及尾部的間隙寬度基本相同,連接尾部的是一顆淺灰色非金屬夾雜物,且夾雜物的頭部已經在高溫下熔融為孔洞。低熔點夾雜物熔化的溫度最低在1200℃左右,表明模具的加熱溫度應該在此溫度以上。第二條裂紋為中間短一點的裂紋,尾部同樣為圓鈍狀,裂紋間隙內充滿高溫氧化物,裂紋的四周與模腔表面的組織相同,同樣存在輕微的氧化脫碳現象,該處的裂紋屬于制模過程鍛造的擠壓折疊裂紋。第三條裂紋最短,該裂紋與第二條裂紋形成原因相同,且裂紋周圍的氧化脫碳現象更為明顯。
      
      2#樣件為模具右側定位耳模腔中間部位,模腔凹槽底部沒有R角,幾乎為直角,該處的應力集中理論值為無窮大。在凹槽底部的直角處明顯可見一條粗短狀的裂紋。 可以清晰的觀察到開裂處呈V字型的開口裂紋,裂紋間隙兩側布滿淺灰色高溫氧化物,圓鈍的裂紋尾部連接一條細長的裂紋。裂紋的左側邊緣還有一塊長條狀的疑似非金屬夾雜物。裂紋開口至尾部圓鈍處,應該屬于制模鍛造的擠壓折疊裂紋,細長的裂紋屬于應力擴展裂紋。
      
      3#樣件為開裂的蘑菇頭中間部位,沿圖2斷口所示的第一條弧線的下側區域觀察,斷口呈近似筆直的穿晶斷裂形態,斷口表層有一層極薄的淺灰色氧化物層。該處裂紋應該屬于快速擴展的應力開裂裂紋,由斷口表層覆蓋的薄層氧化物得知,斷口表面經過高溫氧化,因此可以推斷該處裂紋屬于熱處理淬火應力開裂。斷口附近的基體組織較為粗大,斷口上部白亮色的圓形斑點,為線切割過程中鉬絲熔化的顆粒。在第一條弧線與第二條弧線之間區域進行觀察,斷口呈曲折的沿晶開裂。斷口左側圓弧狀的凹坑,為裂紋擴展引起的夾雜物脫落坑。斷口右側呈直角形的凹坑,為過熱引起晶間弱化的晶粒脫落坑。斷口附近組織極為粗大,表明材料的加熱溫度非常高 。局部區域沿晶開裂斷口顯示晶粒更為粗大,斷口處可見凸起的整顆粗大晶粒 。沿第二條弧線以上區域進行觀察,斷口又呈現筆直的穿晶形態,但斷口表層已經沒有氧化物覆蓋,因而符合裂紋擴展終斷區瞬間斷裂的特征,裂紋附近的基體組織仍然相當粗大 。
      
      中國鋼管信息港今日要聞:對3#樣件的金相組織進行低倍率觀察,基體組織中不均勻分布的粗晶斑異常明顯,表明材料過熱現象較為嚴重。高倍率觀察下,粗晶斑區域顯示馬氏體位向組織粗大,局部區域甚至出現極粗大的框欄狀組織,但球粒狀回火索氏體的調質組織仍然可以辨別。基體組織中存在較多量的黑色斑點,這種黑色斑點組織是非金屬夾雜物熔融的孔洞。由于熔融的孔洞周圍氧化及貧碳貧合金,淬透性顯著降低[8]。熱處理淬火過程中,過冷奧氏體發生相變,轉變為黑色的屈氏體組織,這也是材料過熱的特征組織 。夾雜物顆粒大的孔洞周圍,氧化及回火色澤明顯一點,但黑色的屈氏體組織顯示不太清晰。夾雜物顆粒小一點的孔洞周圍,黑色的屈氏體更為明顯 。
      
      5.結論分析
      
      11811半軸擺輾模具制模鍛造時,在定位耳模腔凹槽處留下過小的R角及尖角,同時由于該處的擠壓變形量過大,已經造成擠壓折疊裂紋。模腔凹槽處過小的R角及尖角,在熱處理淬火過程中,造成極強的應力集中開裂,原始的鍛造折疊裂紋使開裂進一步擴展,并向前推進形成環狀裂紋的第一條弧線。模具使用服役時,在鍛造應力作用下,裂紋沿第一條弧線形成多源臺階繼續向模具中心擴展,直至第二條弧線處。此時擴展的斷口已經足夠大,剩余的截面已無法承受鍛造加工的實際應力,裂紋因此迅速擴展,形成傾斜的切向應力瞬斷區,最終造成模具中心的蘑菇頭斷裂。中國鋼管信息港今日要聞
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