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失效分析實例 歡迎到中國材料顯微鏡網(wǎng)論壇交流失效分析問題 案例33 2 8 鋼熱鍛模具淬火開裂原因分析 1背景2檢驗內(nèi)容及結(jié)果21原材料化學成分22硬度測定23斷口形貌 1 宏觀檢查 2 斷口微觀檢查2 4顯微組織分析3討論4結(jié)論 1 背景某廠選用3 2 8 鋼制造熱鍛模具用于鍛造25鋼的齒狀零件 模具加工成型后外部尺寸為500 250 115 模具質(zhì)量為110 在同一模具上開出預鍛和終鍛兩個型腔 加工時發(fā)現(xiàn)模具毛坯鍛件硬度偏高 采用 150型洛氏硬度計測試硬度為30 為便于加工 該廠將模具進行了一次降低硬度退火 但溫度和時間已無紀錄 加工后的模具由本廠進行熱處理 淬火加熱爐采用箱式電阻爐 為防止氧化 在模具周圍填充舊滲碳劑加以保護 模具淬火時先采用500 850 兩次預熱 后經(jīng)1050 4 保溫 冷卻介質(zhì)選用 15號機油 淬火過程中聽到模具開裂聲音 隨即停止冷卻 并放在630 回火爐中回火 回火時裂紋繼續(xù)擴展使模具成為多個碎塊 由于發(fā)現(xiàn)模具開裂 中止繼續(xù)回火 2檢驗內(nèi)容及結(jié)果21原材料化學成分分析在模具上取樣 測定模具的化學成分 質(zhì)量分數(shù) 如下 030 82 25 035 032 030 0032 0028 與 1299 2000 合金工具鋼 相比 符合標準 22硬度測定用 150洛氏硬度試驗機測定鍛件的表面硬度為28 30 模具回火后的表層硬度為40 41 心部硬度為47 48 23斷口形貌 1 宏觀檢查模具橫向多處斷裂 裂紋特征有直裂紋 彎折裂紋和圓弧裂紋 在模具碎塊的橫斷面表層可觀察到有約30 細瓷狀斷口 見圖2 斷口內(nèi)部有山脊狀擴展形貌 放射線中心朝向模具心部 表明裂紋源形成于模具心部 心部為粗晶狀斷口 有十分明顯的金屬光澤 上述特征可以判定該模具的開裂是由心部脆性解理斷裂引發(fā)的 2 斷口微觀檢查用掃措電鏡對細瓷狀斷口 粗晶狀斷口進行觀察 結(jié)果見圖3 4 從粗晶狀斷口掃描電鏡照片可以看到 斷口中有明顯的解理臺階 屬穿晶解理斷裂特征 2 4顯微組織分析在模具開裂處 對粗晶狀斷口 細瓷狀斷口截取試樣 樣品制備后 用4 硝酸酒精溶液短時輕微腐蝕 然后在金相顯微鏡下觀察 盡管照片中組織不太清晰 可以觀察到淬火前奧氏體晶粒分布情況 見圖5 用奧氏體晶粒度評級標準 2 評定晶粒度等級為6級 粗晶狀斷口處的晶粒和組織粗大 圖6 晶粒度等級為1級 觀察還發(fā)現(xiàn)碳化物呈嚴重的帶狀分布 見圖8 在細瓷狀與粗晶狀斷口的銜接處存在大小晶粒不勻的現(xiàn)象 3討論文獻 3 4 介紹3 2 8 鋼是一種壓鑄模具鋼 該鋼含有較多的鎢和鉻 具有較小的熱膨脹系數(shù)和較好的耐蝕性 鎢可以增加鋼的耐熱性 減少回火脆性和熱處理變形 由于該鋼的碳含量較低 025 040 使鋼具有良好的導熱性和足夠的韌性 加入少量的釩可細化晶粒 提高耐磨性 3 2 8 鋼屬于過共析鋼 正常淬火組織應為較細的馬氏體 殘留奧氏體和少量的粒狀碳化物 若淬火溫度過高 則得到粗大馬氏體 圖4所示模具斷口心部呈粗晶狀斷口形貌 有脆性解理斷裂特征 圖6的金相組織表明 奧氏體晶粒粗大 馬氏體粗大 屬于明顯的過熱現(xiàn)象 但模具表層細瓷狀斷口 圖2 3 和細小晶粒 圖5 屬于正常的淬火組織 分析認為 廠方在加工模具時 發(fā)現(xiàn)鍛件的硬度偏高 曾經(jīng)進行一次降低硬度退火 但退火保溫時間不夠 僅使表層重結(jié)晶細化 因此出現(xiàn)了表層的細晶粒和細瓷狀斷口 由于模具心部未熱透 淬火加熱出現(xiàn)組織遺傳現(xiàn)象 形成粗大奧氏體晶粒 冷卻時產(chǎn)生粗大馬氏體 在模具心部受組織應力和熱應力的雙重作用 形成裂紋源 裂紋擴展導致表面開裂 模具橫截面出現(xiàn)較多的橫向裂紋 彎折裂紋和弧狀裂狀 這主要與鍛造質(zhì)量有關(guān) 碳化物帶狀分布說明鍛造不充分 是造成彎折裂紋和弧狀裂紋的主要原因 由宏觀形貌和金相組織特征可以推斷 鍛造起始溫度高 造成組織過熱 提供鍛件時未向用戶說明 用戶按正常溫度淬火時出現(xiàn)開裂事故 4結(jié)論熱鍛模開裂的主要原因?qū)儆阱懺旖M織存在嚴重缺陷 即粗大的奧氏體晶粒 鍛造過熱組織 和嚴重的碳化物帶狀分布 模具淬火前未經(jīng)充分退火細化晶粒 從而造成正常溫度淬火開裂 案例4漳平電廠1號機葉片斷裂失效分析 1 背景2檢查 試驗2 1宏觀檢查2 2斷口微觀檢查2 3化學成分2 4硬度測試2 5沖擊試驗2 6金相檢查3分析4結(jié)論 1 背景漳平電廠1號機系北京重型電機廠制造的沖動凝汽式汽輪機 其高壓轉(zhuǎn)子第8級葉片材料為2Cr13 1998年4月大修揭蓋后發(fā)現(xiàn)該級葉片有一段圍帶殘缺約10cm長 有一個葉片在根部斷裂丟失 部分圍帶鉚釘頭有彈起現(xiàn)象 修復工作由電廠委托北京重型電機廠進行 其修復過程為 拆除5段圍帶及43片葉片 更換斷裂和受損的2個葉片及損壞的2段圍帶 復裝后葉片與圍帶采用焊接固定 并對2段圍帶鉚釘頭彈起的部位進行打磨后焊補 修后機組恢復運行 2000年5月7日 汽輪機出現(xiàn)異常響聲 且振動不斷加劇 揭缸后發(fā)現(xiàn)高壓轉(zhuǎn)子第8級葉片丟落19個 部分圍帶脫落 第9級葉片及8 9 10級部分隔板磨損變形 對照1998年4月大修記錄 發(fā)現(xiàn)此次丟落的19個葉片大部分為當時修復處理過的葉片 由于此次葉片斷裂事故對轉(zhuǎn)子損傷較為嚴重 故把整個轉(zhuǎn)子送到制造廠修復 為了找出葉片斷裂的原因 我們開展了一系列的失效分析工作 2檢查 試驗2 1宏觀檢查檢查發(fā)現(xiàn)丟落的19個葉片的斷裂部位均位于葉片倒 形槽根部的橫斷面上 見圖1 肉眼觀察斷口表面呈紅褐色和灰褐色 有銹斑 斷口平坦并分成兩個區(qū) 其中大面積區(qū)呈光滑狀 小面積區(qū)呈纖維狀 個別斷口幾乎全部呈光滑狀 拆卸時發(fā)現(xiàn)葉片根部裝配較松 極易取下 2 2斷口微觀檢查斷口經(jīng)超聲波清洗干凈后在掃描電鏡下先以低倍 10倍 觀察 發(fā)現(xiàn)有典型的疲勞斷裂特征 即有三個區(qū)域組成 疲勞源 疲勞裂紋擴展區(qū) 顆粒狀脆性斷裂區(qū) 和最終快速斷裂韌性纖維區(qū) 其中疲勞源和疲勞裂紋擴展區(qū)占大部分面積 圖2為疲勞源和疲勞裂紋擴展區(qū) 從中能明顯觀察到貝殼狀條紋 這是疲勞斷裂典型特征 進一步放大觀察發(fā)現(xiàn)斷口有類似臺階式線段 見圖3 4 這些線段不是平滑的 它是疲勞過程引起不穩(wěn)定滑移面上快速的裂紋擴展造成的 此外 還能觀察到裂紋的存在 且從源區(qū)向心部發(fā)展 在疲勞裂紋擴展區(qū) 則能觀察到顆粒狀脆性斷裂特征 見圖5 斷口開裂以穿晶斷裂為主 無沿晶斷裂跡象 也沒有介質(zhì)腐蝕引起的應力腐蝕斷口形貌 這說明快速斷裂區(qū)是以韌窩為主的塑性斷裂 2 3化學成分分析損壞葉片取樣分析結(jié)果見表1 從表1可以看出 損壞葉片材料的化學成分合格 2 4硬度測試斷裂葉片根部側(cè)面布氏硬度測試結(jié)果見表2 表2表明 斷裂葉片的硬度值略偏高 推測葉片材料的強度較高 2 5沖擊試驗 2 6金相檢查選取斷裂葉片根部側(cè)面進行金相檢查分析 首先對未浸蝕的試樣表面進行檢查 發(fā)現(xiàn)其中一個倒 形槽的根部還存在微裂紋 微裂紋平直且走向平行于斷口表面 用氯化鐵鹽酸水溶液浸蝕試樣表面后觀察其金相組織為具有位向的回火索氏體 見圖6 圖7為帶微裂紋處的金相照片 組織狀態(tài)正常 3分析 1 斷裂葉片的金相組織為正常的回火索氏體 材料化學成分合格 主要性能指標也基本正常 2 葉片斷裂部位在倒 形槽根部的橫斷面上 亦即在應力集中部位 是裂紋源萌生地 斷口具有典型的疲勞斷裂特征 裂紋擴展屬穿晶走向 3 葉片根部疲勞斷裂與裝配質(zhì)量有關(guān) 高壓轉(zhuǎn)子葉片安裝時通常要求根部緊配合 但裂斷的第 級葉片根部卻是松配合 遂導致葉片在運行過程中產(chǎn)生振動并傳至根部 根部與葉輪槽表面產(chǎn)生摩擦 從而使根部表層晶粒持續(xù)滑移帶極易萌生裂紋 即產(chǎn)生疲勞源 隨后裂紋不斷擴展 最終造成根部疲勞斷裂 4