第8章實際構(gòu)件失效分析實例

1、第第8章章 實際構(gòu)件失效分析實例實際構(gòu)件失效分析實例 李春福李春福 西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院西南石油大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 8.1 M5-36-11No.20.5風(fēng)機(jī)軸斷裂分析風(fēng)機(jī)軸斷裂分析 某廠某廠M5-36-11N0.20.5D風(fēng)機(jī)在使用接近風(fēng)機(jī)在使用接近7年后，于年后，于1999年年8月中旬發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸偏斜，月中旬發(fā)現(xiàn)風(fēng)機(jī)軸偏斜，軸徑表面與風(fēng)機(jī)罩發(fā)生摩擦。將該軸取下后軸徑表面與風(fēng)機(jī)罩發(fā)生摩擦。將該軸取下后發(fā)現(xiàn)在葉輪端支撐軸承面臺階處發(fā)生開裂，發(fā)現(xiàn)在葉輪端支撐軸承面臺階處發(fā)生開裂，表面裂紋寬度接近表面裂紋寬度接近2mm，葉輪附近的軸表面，葉輪附近的軸表面磨損深度達(dá)磨損深度達(dá)5mm。于。

2、于1999年年10月月26日將該日將該軸斷開，確定對該軸的斷裂原因進(jìn)行分析。軸斷開，確定對該軸的斷裂原因進(jìn)行分析。8.1.1概況概況 M5-36-11No.20.5風(fēng)機(jī)原設(shè)計的部分參數(shù)：風(fēng)機(jī)原設(shè)計的部分參數(shù)： 設(shè)計功率：設(shè)計功率：710kW，電動機(jī)轉(zhuǎn)速：，電動機(jī)轉(zhuǎn)速：1480r/min，飛輪力矩：，飛輪力矩：36.3Nm，葉輪質(zhì)量：，葉輪質(zhì)量：788kg；主軸質(zhì)量：；主軸質(zhì)量：285kg，主軸材料：，主軸材料：45鋼，軸長度：鋼，軸長度：1889.9mm；中心距：；中心距：816.9mm，葉輪力臂長度：，葉輪力臂長度：575.9ram，臨，臨界轉(zhuǎn)速：界轉(zhuǎn)速：2221r/min；轉(zhuǎn)速系數(shù)：；轉(zhuǎn)速

3、系數(shù)：1.5。 風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖風(fēng)機(jī)主軸結(jié)構(gòu)與尺寸，如圖8-1所示。所示。 風(fēng)機(jī)軸受力分析與計算如圖風(fēng)機(jī)軸受力分析與計算如圖8-2所示。所示。 經(jīng)力學(xué)計算校核的部分?jǐn)?shù)據(jù)：經(jīng)力學(xué)計算校核的部分?jǐn)?shù)據(jù)： 危險截面應(yīng)力：危險截面應(yīng)力：16.64MPa；強(qiáng)度系數(shù)：；強(qiáng)度系數(shù)：3.3。 在設(shè)備安裝時，經(jīng)設(shè)計、使用、制造單位同意，在設(shè)備安裝時，經(jīng)設(shè)計、使用、制造單位同意，將原設(shè)計的將原設(shè)計的19D改為改為20.5D，經(jīng)計算：，經(jīng)計算： 葉輪重量葉輪重量=8470N；危險截面計算扭矩；危險截面計算扭矩Mn=4581Nm；危險截面應(yīng)力；危險截面應(yīng)力max=17.25 MPa。 45鋼許用應(yīng)力鋼許用應(yīng)力n

4、=55MPa，max 6。斷裂發(fā)生在自淤漿投料口到脫水塊側(cè)旋轉(zhuǎn)一周斷裂發(fā)生在自淤漿投料口到脫水塊側(cè)旋轉(zhuǎn)一周的葉片上，該葉片有的葉片上，該葉片有1/4圓周發(fā)生斷裂。此處是圓錐圓周發(fā)生斷裂。此處是圓錐部大徑側(cè)對葉片負(fù)荷較大的部位。葉片斷裂的總長部大徑側(cè)對葉片負(fù)荷較大的部位。葉片斷裂的總長度約度約400mm。葉片發(fā)生斷裂后發(fā)生很大的扭曲變。葉片發(fā)生斷裂后發(fā)生很大的扭曲變形。形。據(jù)現(xiàn)場了解，葉片斷裂前曾發(fā)生多次阻轉(zhuǎn)，淤據(jù)現(xiàn)場了解，葉片斷裂前曾發(fā)生多次阻轉(zhuǎn)，淤漿的酸度超過要求，漿的酸度超過要求，pH值降至值降至3.4。8.8.2 質(zhì)量的常規(guī)檢驗質(zhì)量的常規(guī)檢驗1. 化學(xué)成分復(fù)驗化學(xué)成分復(fù)驗由葉片上取樣，對

5、其用化學(xué)成分進(jìn)行復(fù)由葉片上取樣，對其用化學(xué)成分進(jìn)行復(fù)驗，其結(jié)果為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，驗，其結(jié)果為（質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%）：）：0.04C，0.69Si，0.8Mn，7.70Ni，17.98Cr，0.005S，0.028P，由此可見，鋼材的化學(xué)成，由此可見，鋼材的化學(xué)成分除含磷量稍偏高外，無明顯差錯。分除含磷量稍偏高外，無明顯差錯。2. 力學(xué)性能復(fù)驗力學(xué)性能復(fù)驗 由葉片的不同部位取樣，對鋼材的力學(xué)性由葉片的不同部位取樣，對鋼材的力學(xué)性能進(jìn)行復(fù)驗，其結(jié)果如表能進(jìn)行復(fù)驗，其結(jié)果如表8-12所示。所示。表表8-12 鋼材力學(xué)性能實測值鋼材力學(xué)性能實測值3. 金相檢查金相檢查 在葉片的外緣及葉片根部分別取樣進(jìn)行金相在葉

6、片的外緣及葉片根部分別取樣進(jìn)行金相檢查發(fā)現(xiàn)，在與腐蝕損傷對應(yīng)的部位，可見大檢查發(fā)現(xiàn)，在與腐蝕損傷對應(yīng)的部位，可見大量樹根狀沿晶發(fā)展的微裂紋。由此可見，此處量樹根狀沿晶發(fā)展的微裂紋。由此可見，此處葉片所發(fā)生的腐蝕為葉片所發(fā)生的腐蝕為應(yīng)力腐蝕應(yīng)力腐蝕。在焊接附近所。在焊接附近所進(jìn)行的金相分析，未見異?，F(xiàn)象，組織為進(jìn)行的金相分析，未見異?，F(xiàn)象，組織為單一單一的奧氏體的奧氏體，晶粒度為，晶粒度為l2級。級。 以上常規(guī)檢查表明，在葉片的外緣部位，以上常規(guī)檢查表明，在葉片的外緣部位，材料受到嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕損傷，其力學(xué)性能材料受到嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕損傷，其力學(xué)性能因而發(fā)生明顯的下降現(xiàn)象。這與外商提出的應(yīng)因而發(fā)生

7、明顯的下降現(xiàn)象。這與外商提出的應(yīng)力腐蝕致斷的論點是一致的。力腐蝕致斷的論點是一致的。但這一結(jié)論是不但這一結(jié)論是不是不容置疑了呢？是不容置疑了呢？這還不能這樣說，請看下面這還不能這樣說，請看下面進(jìn)一步的分析結(jié)果。進(jìn)一步的分析結(jié)果。8.8.3 斷口分析斷口分析 對葉片的斷口從對葉片的斷口從軸向軸向及及徑向徑向兩個角度進(jìn)行兩個角度進(jìn)行觀察。觀察。1軸向觀察軸向觀察 從軸向觀察，葉片斷裂部分的宏觀形貌如從軸向觀察，葉片斷裂部分的宏觀形貌如圖圖8-57所示。所示。圖圖8-57 葉片斷裂部位軸向觀察示意圖葉片斷裂部位軸向觀察示意圖 由圖由圖8-57可知，葉片斷裂部位的總長度約可知，葉片斷裂部位的總長度約4

8、00mm，其中在焊縫區(qū)開裂的長度約占，其中在焊縫區(qū)開裂的長度約占1/2稍多一稍多一些。由裂紋擴(kuò)展過程中留下的些。由裂紋擴(kuò)展過程中留下的鋸齒狀缺口鋸齒狀缺口及及二次微二次微裂紋裂紋可以知道，葉片的起始裂紋在可以知道，葉片的起始裂紋在處附近起裂，處附近起裂，按箭頭所示的方向按箭頭所示的方向朝兩側(cè)相反的方向朝兩側(cè)相反的方向擴(kuò)展。擴(kuò)展。點是點是焊縫開裂與葉片開裂的分界點，焊縫開裂與葉片開裂的分界點，點在應(yīng)力腐蝕點在應(yīng)力腐蝕區(qū)。也就是說，裂紋在區(qū)。也就是說，裂紋在處起裂后，先在處起裂后，先在焊縫區(qū)焊縫區(qū)及及葉片體葉片體擴(kuò)展相當(dāng)大的一段距離后，才通過應(yīng)力腐蝕擴(kuò)展相當(dāng)大的一段距離后，才通過應(yīng)力腐蝕區(qū)，并隨后

9、引起斷裂。由此可見，區(qū)，并隨后引起斷裂。由此可見，葉片斷裂的主要葉片斷裂的主要原因不能認(rèn)為是原因不能認(rèn)為是由于應(yīng)力腐蝕引起的，尚需尋找其由于應(yīng)力腐蝕引起的，尚需尋找其他致斷因素。他致斷因素。2. 徑向觀察徑向觀察 從徑向角度觀察，斷口的宏觀形貌如圖從徑向角度觀察，斷口的宏觀形貌如圖8-58所示。所示。圖圖5-58 徑向斷口示意圖徑向斷口示意圖 從徑向斷口上可以看出，在葉片的焊縫開裂區(qū)內(nèi)從徑向斷口上可以看出，在葉片的焊縫開裂區(qū)內(nèi)約有約有160mm長的未焊透區(qū)，焊接厚度僅有長的未焊透區(qū)，焊接厚度僅有1mm。由斷口上的臺階花樣可知，起始裂紋正是在此處薄由斷口上的臺階花樣可知，起始裂紋正是在此處薄弱地

10、區(qū)首先產(chǎn)生，并很快穿透焊縫，隨后按圖弱地區(qū)首先產(chǎn)生，并很快穿透焊縫，隨后按圖8-58中箭頭所指的方向擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中，可見中箭頭所指的方向擴(kuò)展，在擴(kuò)展過程中，可見疲勞疲勞弧線弧線及表示擴(kuò)展方向的及表示擴(kuò)展方向的放射花樣放射花樣。從徑向斷口的形。從徑向斷口的形貌也可以看出，微裂紋貌也可以看出，微裂紋首先首先在未焊合區(qū)起裂，在未焊合區(qū)起裂，通過通過焊縫及葉片本體，焊縫及葉片本體，然后然后才是應(yīng)力腐蝕區(qū)，才是應(yīng)力腐蝕區(qū)，直至直至斷斷開。開。由此可見由此可見，葉片的焊接質(zhì)量不良，葉片的焊接質(zhì)量不良存在大面存在大面積的未焊合區(qū)，由此而引起的強(qiáng)度不足是葉片發(fā)生積的未焊合區(qū)，由此而引起的強(qiáng)度不足是葉片發(fā)生

11、疲勞斷裂的疲勞斷裂的主要原因主要原因。884結(jié)論及問題討論結(jié)論及問題討論（1）關(guān)于葉片斷裂的原因。）關(guān)于葉片斷裂的原因。根據(jù)上述分析，根據(jù)上述分析，葉片葉片的斷裂的斷裂是焊縫內(nèi)存在大面積是焊縫內(nèi)存在大面積未焊合區(qū)缺陷未焊合區(qū)缺陷引起的。引起的。在此區(qū)內(nèi)孤立的在此區(qū)內(nèi)孤立的焊肉焊肉及及微裂紋的缺陷微裂紋的缺陷，極易成為疲，極易成為疲勞裂紋的萌生地，葉片在工作過程中，此處產(chǎn)生較勞裂紋的萌生地，葉片在工作過程中，此處產(chǎn)生較大的應(yīng)力集中，促使微裂紋的快速擴(kuò)展，直至斷大的應(yīng)力集中，促使微裂紋的快速擴(kuò)展，直至斷裂。裂。（2）過載對斷裂的影響。）過載對斷裂的影響。葉片在工作過程中曾多葉片在工作過程中曾多次出

12、現(xiàn)次出現(xiàn)過載（阻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象過載（阻轉(zhuǎn)）現(xiàn)象，由于該機(jī)有過載保護(hù)，由于該機(jī)有過載保護(hù)，每次阻轉(zhuǎn)均及時停機(jī)每次阻轉(zhuǎn)均及時停機(jī),因此，過載不是這次斷裂的主因此，過載不是這次斷裂的主要原因，過載僅使焊縫質(zhì)量不良的問題暴露出來要原因，過載僅使焊縫質(zhì)量不良的問題暴露出來了。但在正常情況下應(yīng)嚴(yán)防過載。了。但在正常情況下應(yīng)嚴(yán)防過載。（3）應(yīng)力腐蝕的影響）應(yīng)力腐蝕的影響。應(yīng)力腐蝕雖不是這次。應(yīng)力腐蝕雖不是這次葉片斷裂的主要原因，但葉片的外緣在使用葉片斷裂的主要原因，但葉片的外緣在使用僅僅10個月就發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象是應(yīng)當(dāng)個月就發(fā)生嚴(yán)重的應(yīng)力腐蝕現(xiàn)象是應(yīng)當(dāng)引起注意的。該葉片如果不是由于焊縫質(zhì)量引起注意的。該葉片

13、如果不是由于焊縫質(zhì)量不良而過早地發(fā)生斷裂失效，可以預(yù)見在不不良而過早地發(fā)生斷裂失效，可以預(yù)見在不久的將來將會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂失效。因久的將來將會出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕開裂失效。因此，在工作中應(yīng)嚴(yán)格控制物料的此，在工作中應(yīng)嚴(yán)格控制物料的pH值，減少值，減少介質(zhì)的腐蝕破壞。介質(zhì)的腐蝕破壞。8.9 3Cr2W8V鋼熱擠壓模具失效分析鋼熱擠壓模具失效分析 某廠采用國產(chǎn)的某廠采用國產(chǎn)的3Cr2W8V鋼制造熱擠壓模具，用鋼制造熱擠壓模具，用于生產(chǎn)鋁型材。該模具在使用過程中，明顯地存在于生產(chǎn)鋁型材。該模具在使用過程中，明顯地存在著使用壽命不高的問題，據(jù)不完全統(tǒng)計，該廠全年著使用壽命不高的問題，據(jù)不完全統(tǒng)計，該廠全年生

14、產(chǎn)生產(chǎn)400t鋁型材，共消耗鋁型材，共消耗266套模具，價值套模具，價值240余萬余萬元，平均每套模具生產(chǎn)鋁型材約為元，平均每套模具生產(chǎn)鋁型材約為1.5t，而該廠由，而該廠由日本引進(jìn)的同類模具平均使用壽命在日本引進(jìn)的同類模具平均使用壽命在3.7t以上。為以上。為此分析了該廠模具失效的原因，并提出了改造措此分析了該廠模具失效的原因，并提出了改造措施。施。8.9.1 模具的失效形式模具的失效形式 該廠生產(chǎn)的熱擠壓模具的失效形式，主要有該廠生產(chǎn)的熱擠壓模具的失效形式，主要有三三類類：斷裂失效斷裂失效、塌陷裂紋塌陷裂紋、磨損及局部擦傷磨損及局部擦傷。1斷裂失效斷裂失效 該廠模具發(fā)生的斷裂形式主要為該廠

15、模具發(fā)生的斷裂形式主要為整體開裂整體開裂。這種。這種損壞多是在損壞多是在試模試模及及使用初期使用初期發(fā)生的，其發(fā)生的，其斷口形態(tài)斷口形態(tài)為為粗糙的顯微狀粗糙的顯微狀，并有，并有放射花樣放射花樣和和人字紋花樣人字紋花樣，這種，這種斷裂為斷裂為典型的過載斷裂典型的過載斷裂。2塌陷裂紋塌陷裂紋 形狀復(fù)雜的形狀復(fù)雜的平板模平板模，多出現(xiàn)塌陷裂紋。平，多出現(xiàn)塌陷裂紋。平板模出現(xiàn)這種損壞，一般是在使用一段時間板模出現(xiàn)這種損壞，一般是在使用一段時間之后發(fā)生的，裂紋起源于較大的之后發(fā)生的，裂紋起源于較大的懸臂根部懸臂根部。模具在使用過程中材料的強(qiáng)度下降，發(fā)生塌模具在使用過程中材料的強(qiáng)度下降，發(fā)生塌陷現(xiàn)象，在其

16、懸臂根部的應(yīng)力集中處，產(chǎn)生陷現(xiàn)象，在其懸臂根部的應(yīng)力集中處，產(chǎn)生微裂紋并導(dǎo)致報廢。微裂紋并導(dǎo)致報廢。3磨損及局部擦傷磨損及局部擦傷 模具工作表面在模具工作表面在流動金屬的摩擦力流動金屬的摩擦力作用下，逐漸作用下，逐漸發(fā)生尺寸減小及局部擦傷的現(xiàn)象，經(jīng)過多次發(fā)生尺寸減小及局部擦傷的現(xiàn)象，經(jīng)過多次修模修模后，因尺寸超差而報廢。后，因尺寸超差而報廢。平板模平板模和和分流模分流模均存在這均存在這種失效形式。此類模具的使用壽命約為種失效形式。此類模具的使用壽命約為2t套，稍套，稍高于平均壽命?，F(xiàn)場調(diào)查表明，在上述三種失效形高于平均壽命?，F(xiàn)場調(diào)查表明，在上述三種失效形式中，出現(xiàn)最多、影響最大的是斷裂失效，因

17、此本式中，出現(xiàn)最多、影響最大的是斷裂失效，因此本例將以斷裂失效作為分析研究的重點。例將以斷裂失效作為分析研究的重點。8.9.2 磨具的制造工藝與技術(shù)要求磨具的制造工藝與技術(shù)要求 模具用鋼為模具用鋼為3Cr2W8V。其。其制造工藝制造工藝為：采用聲為：采用聲180mm及及l(fā)60mm兩種規(guī)格的棒料切取毛坯，經(jīng)油爐加熱后，于兩種規(guī)格的棒料切取毛坯，經(jīng)油爐加熱后，于1200鍛造成模坯，終鍛溫度為鍛造成模坯，終鍛溫度為900，設(shè)備噸位為，設(shè)備噸位為750kg及及250kg；鍛坯的軟化工藝鍛坯的軟化工藝為為860保溫保溫2.5h，爐冷爐冷至至500以下以下空冷空冷，硬度要求為，硬度要求為30HRC以下；以

18、下；粗加工成形粗加工成形；粗加工；粗加工后的后的預(yù)備熱處理預(yù)備熱處理采用采用調(diào)質(zhì)處理調(diào)質(zhì)處理，在鹽浴爐中加熱至，在鹽浴爐中加熱至1100，保溫時間按模壁厚度保溫時間按模壁厚度20s/mm計算，淬入油中冷至室溫，然計算，淬入油中冷至室溫，然后于后于720 高溫回火高溫回火，硬度要求為，硬度要求為30HRC以下；以下；精加工成精加工成形形；最終熱處理最終熱處理是是1050鹽浴爐火加熱鹽浴爐火加熱淬火淬火（保溫時間按（保溫時間按20s/mm計算），計算），油淬油淬，560回火回火2h后空冷，硬度要求為后空冷，硬度要求為5256HRC，大型模具為，大型模具為4748HRC以上。以上。8.9.3 模具的

19、工作條件模具的工作條件 熱擠壓模具用于生產(chǎn)熱擠壓模具用于生產(chǎn)6063（Al-Mg-Si系）系）鋁合金不變斷面的實芯和空芯型材，所用設(shè)鋁合金不變斷面的實芯和空芯型材，所用設(shè)備為備為1250t及及600t臥式擠壓機(jī)，鋁合金棒料的臥式擠壓機(jī)，鋁合金棒料的尺寸為尺寸為l50mm580mm、150mm380mm、100mm380mm三種。三種。 模具在使用前，需在電阻爐中預(yù)熱數(shù)小模具在使用前，需在電阻爐中預(yù)熱數(shù)小時，爐溫為時，爐溫為500。 鋁合金棒料在連續(xù)作業(yè)爐中加熱鋁合金棒料在連續(xù)作業(yè)爐中加熱46h，由，由送料機(jī)構(gòu)送入盛料筒，并在高溫下擠入模送料機(jī)構(gòu)送入盛料筒，并在高溫下擠入模具，實現(xiàn)其成形過程，其

20、擠壓工藝參數(shù)如表具，實現(xiàn)其成形過程，其擠壓工藝參數(shù)如表8-13所示。所示。在工作過程中，壓坯和模面采用在工作過程中，壓坯和模面采用280360目的粉目的粉狀石墨涂料，擠狀石墨涂料，擠1根涂根涂1根。根。8.9.4 硬度檢查及金相分析硬度檢查及金相分析 各類模具表面硬度的檢查結(jié)果：斷裂模具各類模具表面硬度的檢查結(jié)果：斷裂模具為為4048HRC，塌陷裂紋模，塌陷裂紋模4549.5HRC，磨損失效模具為磨損失效模具為4350HRC。從上述的硬度。從上述的硬度檢查中可以看出，各類模具的硬度差別均相檢查中可以看出，各類模具的硬度差別均相當(dāng)懸殊，這可能與模具材料組織的不均勻性當(dāng)懸殊，這可能與模具材料組織的

21、不均勻性有關(guān)。有關(guān)。 各類模具的各類模具的金相組織金相組織均為均為隱針馬氏體粗大不均勻隱針馬氏體粗大不均勻的碳化物的碳化物。在軸向觀察，粗大的化合物多呈帶狀分。在軸向觀察，粗大的化合物多呈帶狀分布，局部地區(qū)碳化物的堆積現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。很顯布，局部地區(qū)碳化物的堆積現(xiàn)象也十分嚴(yán)重。很顯然粗大不均勻的碳化物分布，將顯著降低材料的抗然粗大不均勻的碳化物分布，將顯著降低材料的抗斷能力，對模具的耐磨性和抗彎強(qiáng)度也不利。此斷能力，對模具的耐磨性和抗彎強(qiáng)度也不利。此外，組織的不均勻性尚使材料的缺口敏感性加大，外，組織的不均勻性尚使材料的缺口敏感性加大，由此可見，提高該廠熱擠壓模具壽命的關(guān)鍵由此可見，提高該廠熱

22、擠壓模具壽命的關(guān)鍵是改善是改善材料組織的不均勻性，并減少碳化物質(zhì)點的幾何尺材料組織的不均勻性，并減少碳化物質(zhì)點的幾何尺寸和數(shù)量。寸和數(shù)量。8.9.5 模具制造工藝流程的技術(shù)分析模具制造工藝流程的技術(shù)分析 為了尋找熱擠壓模具中產(chǎn)生上述組織缺陷為了尋找熱擠壓模具中產(chǎn)生上述組織缺陷及硬度相差懸殊的原因，應(yīng)對該廠模具的生及硬度相差懸殊的原因，應(yīng)對該廠模具的生產(chǎn)工藝進(jìn)行具體分析。產(chǎn)工藝進(jìn)行具體分析。1毛坯鍛造毛坯鍛造 上面談到，毛坯是從上面談到，毛坯是從l80mm及及l(fā)60mm圓鋼上圓鋼上切取，經(jīng)切取，經(jīng)鍛造拔長鍛造拔長形成的，成品模具的外徑尺寸為形成的，成品模具的外徑尺寸為153mm，而粗加工前的尺寸

23、約為，而粗加工前的尺寸約為l60mm。由。由此可見，采用此可見，采用180mm棒料通過拔長制造的毛坯，棒料通過拔長制造的毛坯，其其鍛造比鍛造比是很小的，且鍛造設(shè)備噸位小，鍛打時僅是很小的，且鍛造設(shè)備噸位小，鍛打時僅使表層發(fā)生塑性變形，內(nèi)部金屬基本保持原始狀使表層發(fā)生塑性變形，內(nèi)部金屬基本保持原始狀態(tài)，據(jù)了解，有相當(dāng)數(shù)量的模具，未經(jīng)鍛造而直接態(tài)，據(jù)了解，有相當(dāng)數(shù)量的模具，未經(jīng)鍛造而直接從從160mm的鋼料切取加工而成，使原始鋼材中粗的鋼料切取加工而成，使原始鋼材中粗大不均勻的組織缺陷完全保留下來，這一先天不大不均勻的組織缺陷完全保留下來，這一先天不足，是模具壽命不高重要原因。足，是模具壽命不高重

24、要原因。2. 鍛坯退火鍛坯退火 860、2.5h的軟化退火，主要是去除鍛坯的軟化退火，主要是去除鍛坯的內(nèi)應(yīng)力，而對于鍛坯內(nèi)粗大不均勻的組織的內(nèi)應(yīng)力，而對于鍛坯內(nèi)粗大不均勻的組織缺陷幾乎不產(chǎn)生影響。缺陷幾乎不產(chǎn)生影響。3粗加工后的調(diào)質(zhì)處理粗加工后的調(diào)質(zhì)處理 淬火在淬火在1100下進(jìn)行，保溫時間按下進(jìn)行，保溫時間按20s/mm計計算，對于算，對于未經(jīng)充分鍛造的毛坯未經(jīng)充分鍛造的毛坯來說，這一固溶處理來說，這一固溶處理是得不到均勻單一的奧氏體組織的（該鋼的是得不到均勻單一的奧氏體組織的（該鋼的Acm點點為為1100），因淬火后的組織仍保留著粗大的組織），因淬火后的組織仍保留著粗大的組織缺陷。對于缺陷

25、。對于正常狀態(tài)的毛坯正常狀態(tài)的毛坯來說，淬火加熱的保溫來說，淬火加熱的保溫時間也應(yīng)適當(dāng)?shù)难娱L，方能獲得具有少量細(xì)小、均時間也應(yīng)適當(dāng)?shù)难娱L，方能獲得具有少量細(xì)小、均勻分布的殘余化合物和化學(xué)成分基本均勻的奧氏體勻分布的殘余化合物和化學(xué)成分基本均勻的奧氏體高溫組織。高溫組織。4最終熱處理中的淬火最終熱處理中的淬火 最終熱處理中的淬火溫度為最終熱處理中的淬火溫度為1050，保溫時間同，保溫時間同前，同樣，在此溫度下無法改善鋼材的組織缺陷。前，同樣，在此溫度下無法改善鋼材的組織缺陷。 試驗表明，未經(jīng)充分鍛造的試驗表明，未經(jīng)充分鍛造的3Cr2W8V鋼材，僅當(dāng)鋼材，僅當(dāng)淬火溫度在淬火溫度在1150 時（保溫

26、時間按時（保溫時間按60s/mm計計算），方能得到單一的奧氏體，淬火后為細(xì)針狀馬算），方能得到單一的奧氏體，淬火后為細(xì)針狀馬氏體及少量殘余奧氏體，氏體及少量殘余奧氏體，1070下淬火，仍有相當(dāng)下淬火，仍有相當(dāng)數(shù)量的未溶碳化物。數(shù)量的未溶碳化物。5最后的回火最后的回火 模具的最后熱處理時進(jìn)行模具的最后熱處理時進(jìn)行560、2h回火。此工回火。此工藝對模具最終的基本組織及其強(qiáng)韌性都起著決定性藝對模具最終的基本組織及其強(qiáng)韌性都起著決定性的作用，由于回火溫度偏低，且采用一次回火，所的作用，由于回火溫度偏低，且采用一次回火，所得基體組織中，不可避免地存在有少量的但顯著降得基體組織中，不可避免地存在有少量的

27、但顯著降低韌性的淬火馬氏體，在此基體上分布著粗大不均低韌性的淬火馬氏體，在此基體上分布著粗大不均的碳化物，將使鋼材的抗斷能力大大降低，這可能的碳化物，將使鋼材的抗斷能力大大降低，這可能是眾多模具在使用初期發(fā)生斷裂失效的重要原因。是眾多模具在使用初期發(fā)生斷裂失效的重要原因。8.9.6 熱處理工藝及性能試驗熱處理工藝及性能試驗 通過上述工藝分析，對于該廠熱擠壓模具壽命不通過上述工藝分析，對于該廠熱擠壓模具壽命不高的原因已經(jīng)有所了解，但對于失效分析工作者來高的原因已經(jīng)有所了解，但對于失效分析工作者來說，到此還不能說已經(jīng)完全解決了所要解決的問說，到此還不能說已經(jīng)完全解決了所要解決的問題，因為上述分析，

28、只是弄清了為提高模具壽命需題，因為上述分析，只是弄清了為提高模具壽命需要解決的大致工藝方向，而沒有具體的解決措施，要解決的大致工藝方向，而沒有具體的解決措施，為此，必須通過具體的工藝藝試驗及有關(guān)的性能試為此，必須通過具體的工藝藝試驗及有關(guān)的性能試驗予以確定。驗予以確定。 毛坯的鍛造改用大噸位的設(shè)備進(jìn)行，以確保鍛毛坯的鍛造改用大噸位的設(shè)備進(jìn)行，以確保鍛透。透。 重點考核的熱處理工藝參數(shù)為：重點考核的熱處理工藝參數(shù)為：預(yù)處理淬預(yù)處理淬火溫度（火溫度（T1）；最終熱處理淬火溫度）；最終熱處理淬火溫度（T2）；兩次回火溫度（均為）；兩次回火溫度（均為T3 ）。淬火溫）。淬火溫度下的保溫時間按度下的保溫

29、時間按40s/mm計算，其余工藝參計算，其余工藝參數(shù)與生產(chǎn)工藝相同。數(shù)與生產(chǎn)工藝相同。 采用一次回歸正交設(shè)計，按回歸正交表安采用一次回歸正交設(shè)計，按回歸正交表安排三因素二水平的排三因素二水平的8次試驗。各因子水平編次試驗。各因子水平編碼見表碼見表8-14。圖圖8-14 因子水平編碼因子水平編碼表表8-15 試驗方案試驗方案 試驗結(jié)果與回歸分析列于表試驗結(jié)果與回歸分析列于表8-16。 將試驗結(jié)果代人回歸方程（將試驗結(jié)果代人回歸方程（8-4），可得），可得KIC。值與熱處理工藝因素的定量關(guān)系式。值與熱處理工藝因素的定量關(guān)系式表表8-16 試驗結(jié)果及回歸分析試驗結(jié)果及回歸分析 對方程式（對方程式（8

30、-5）進(jìn)行顯著性檢驗表明：所得方程）進(jìn)行顯著性檢驗表明：所得方程是高度顯著的，即用一次回歸模型來描述鋼材的斷是高度顯著的，即用一次回歸模型來描述鋼材的斷裂韌度（裂韌度（KIC）值與熱處理工藝因素間的關(guān)系，其擬）值與熱處理工藝因素間的關(guān)系，其擬合情況是良好的。合情況是良好的。 按照同樣的處理方法，可得材料硬度、沖擊韌度按照同樣的處理方法，可得材料硬度、沖擊韌度與熱處理工藝因素間的定量關(guān)系式與熱處理工藝因素間的定量關(guān)系式 由方程式（由方程式（8-6）可知，影響鋼材斷裂韌度的工藝）可知，影響鋼材斷裂韌度的工藝因素，按其重要程度（由回歸方程系數(shù)的絕對值決因素，按其重要程度（由回歸方程系數(shù)的絕對值決定）

31、依次為定）依次為回火溫度回火溫度、淬火溫度淬火溫度和和預(yù)處理溫度預(yù)處理溫度。提。提高回火溫度，材料的斷裂韌度顯著提高。高回火溫度，材料的斷裂韌度顯著提高。 由方程式（由方程式（8-7）可知，影響鋼材硬度值的重要因）可知，影響鋼材硬度值的重要因素是素是回火溫度回火溫度，升高回火溫度硬度降低；，升高回火溫度硬度降低；淬火溫度淬火溫度的影響次之，升高淬火溫度硬度增加，這與淬火后的影響次之，升高淬火溫度硬度增加，這與淬火后基體基體合金化程度合金化程度的增加（特別是含碳量的增加）有的增加（特別是含碳量的增加）有關(guān)；關(guān)；預(yù)熱溫度預(yù)熱溫度對硬度的影響較小。對硬度的影響較小。 由方程式（由方程式（8-7）可知

32、，淬火溫度對）可知，淬火溫度對k值的影響值的影響較之其他兩個因素更大一些，且隨淬火溫度的升高較之其他兩個因素更大一些，且隨淬火溫度的升高而降低，其原因可能與奧氏體晶粒的長大及合金化而降低，其原因可能與奧氏體晶粒的長大及合金化程度的增加有關(guān)。程度的增加有關(guān)。 預(yù)處理溫度（預(yù)處理溫度（T1）對性能的影響較其他兩個因素）對性能的影響較其他兩個因素的影響要小一些，但提高預(yù)處理溫度將增加材料的的影響要小一些，但提高預(yù)處理溫度將增加材料的韌性指標(biāo)，參見方程式（韌性指標(biāo)，參見方程式（8-4）及方程式（）及方程式（8-6）中）中x1項，認(rèn)為韌性指標(biāo)的增加，與粗大碳化物數(shù)量的項，認(rèn)為韌性指標(biāo)的增加，與粗大碳化物

33、數(shù)量的減少及分布形態(tài)的改善有關(guān)。減少及分布形態(tài)的改善有關(guān)。8.9.7 最佳工藝規(guī)范的確定最佳工藝規(guī)范的確定 利用上面所得到的回歸方程，可以針對熱利用上面所得到的回歸方程，可以針對熱擠壓模具的性能要求，確定相應(yīng)的最佳熱處擠壓模具的性能要求，確定相應(yīng)的最佳熱處理規(guī)范。理規(guī)范。 各因子的編碼仍如表各因子的編碼仍如表8-16所示，將其安排所示，將其安排在在L9(3)4正交表中，如表正交表中，如表8-17所示。所示。 然后將每個規(guī)范中對應(yīng)的變量（然后將每個規(guī)范中對應(yīng)的變量（x1，x2，x3）代入相應(yīng)的回歸方程，所得相應(yīng)的規(guī)范）代入相應(yīng)的回歸方程，所得相應(yīng)的規(guī)范性能數(shù)值也列于表性能數(shù)值也列于表8-17所示

34、。所示。表表8-17 L9(3)4正交表正交表 由表由表8-17中數(shù)據(jù)可知，在保證硬度與原工藝（中數(shù)據(jù)可知，在保證硬度與原工藝（0號號工藝）基本相同的條件下，可供選擇的工藝為工藝）基本相同的條件下，可供選擇的工藝為1號號及及9號工藝。號工藝。采用采用1號工藝時，硬度與原工藝相同，號工藝時，硬度與原工藝相同，而沖擊韌度可提高而沖擊韌度可提高75，斷裂韌度可提高，斷裂韌度可提高40；采采用用9號工藝時，硬度和沖擊韌度與原工藝基本相號工藝時，硬度和沖擊韌度與原工藝基本相同，而斷裂韌度得以成倍的提高。同，而斷裂韌度得以成倍的提高。 考慮到熱擠壓模具的結(jié)構(gòu)中，存在著許多考慮到熱擠壓模具的結(jié)構(gòu)中，存在著許

35、多尖角尖角、缺口缺口和和溝槽溝槽，并有大塊非金屬夾雜物和呈帶狀分布，并有大塊非金屬夾雜物和呈帶狀分布的碳化物等的碳化物等“類裂紋類裂紋”，此時，材料的斷裂韌度較，此時，材料的斷裂韌度較之之一次沖擊韌度，對于提高模具的抗斷能力具有更重一次沖擊韌度，對于提高模具的抗斷能力具有更重要的意義，要的意義，所以選擇所以選擇9號工藝作為代替工藝。號工藝作為代替工藝。8.9.8 使用考核使用考核 選擇選擇9號工藝投入使用，進(jìn)行考核，結(jié)果表明，號工藝投入使用，進(jìn)行考核，結(jié)果表明，模模具的早期斷裂問題基本解決，其耐磨性也得以提具的早期斷裂問題基本解決，其耐磨性也得以提高，使模具的平均壽命成倍提高。高，使模具的平均

36、壽命成倍提高。8.10 埋地管道金屬泄漏分析埋地管道金屬泄漏分析 某地下供水管網(wǎng)金屬管道在近期連續(xù)出現(xiàn)多處泄某地下供水管網(wǎng)金屬管道在近期連續(xù)出現(xiàn)多處泄漏，給單位的生產(chǎn)造成較大影響。我們與有關(guān)技術(shù)漏，給單位的生產(chǎn)造成較大影響。我們與有關(guān)技術(shù)人員合作，對金屬管道的腐蝕情況進(jìn)行了調(diào)查、分人員合作，對金屬管道的腐蝕情況進(jìn)行了調(diào)查、分析，并對腐蝕泄漏的部分管道進(jìn)行了檢驗，分析了析，并對腐蝕泄漏的部分管道進(jìn)行了檢驗，分析了地下腐蝕金屬管道的材質(zhì)、腐蝕管表面粘附的銹地下腐蝕金屬管道的材質(zhì)、腐蝕管表面粘附的銹層、土以及雜物的物相構(gòu)成。根據(jù)分析，認(rèn)為層、土以及雜物的物相構(gòu)成。根據(jù)分析，認(rèn)為埋地埋地金屬管道金屬管

37、道腐蝕腐蝕的的主要原因主要原因應(yīng)為管道埋設(shè)部位應(yīng)為管道埋設(shè)部位土質(zhì)的土質(zhì)的腐蝕性腐蝕性。埋地管道附近土壤為鹽堿性土質(zhì)，為金屬。埋地管道附近土壤為鹽堿性土質(zhì)，為金屬的腐蝕提供了有利的條件；同時，管的腐蝕提供了有利的條件；同時，管道表面防護(hù)層道表面防護(hù)層破裂破裂導(dǎo)致的導(dǎo)致的局部腐蝕局部腐蝕也加速了腐蝕，使得管道泄也加速了腐蝕，使得管道泄漏。漏。8.10.1 地下管道金屬腐蝕概況地下管道金屬腐蝕概況 某地下供水管道沿廠區(qū)分布，埋深約在某地下供水管道沿廠區(qū)分布，埋深約在-2m。由。由于腐蝕，多處金屬管道穿孔從而導(dǎo)致泄漏。金屬管于腐蝕，多處金屬管道穿孔從而導(dǎo)致泄漏。金屬管道表面全面腐蝕，平均蝕層厚度道表

38、面全面腐蝕，平均蝕層厚度12mm，有多處，有多處“潰瘍潰瘍”型腐蝕瘤，剝除表面附著物后，可見到明型腐蝕瘤，剝除表面附著物后，可見到明顯顯深度較大的腐蝕坑，有的地方腐蝕坑已穿透管壁，深度較大的腐蝕坑，有的地方腐蝕坑已穿透管壁，形成直徑在形成直徑在12mm大的腐蝕孔。大的腐蝕孔。 管道表面原進(jìn)行過涂管道表面原進(jìn)行過涂瀝青瀝青玻璃絲布纏覆玻璃絲布纏覆涂瀝涂瀝青青的的防蝕處理防蝕處理。現(xiàn)表面防蝕層已基本完全破壞，殘?，F(xiàn)表面防蝕層已基本完全破壞，殘余的部分已起不到防蝕作用。且在少量未完全脫落余的部分已起不到防蝕作用。且在少量未完全脫落的玻璃絲布下，金屬已形成的玻璃絲布下，金屬已形成腐蝕腐蝕“潰瘍潰瘍”。

39、剝離后，剝離后，在這些絲布下面可見到深的腐蝕坑。在這些絲布下面可見到深的腐蝕坑。8.10.2 管道表面產(chǎn)物及材質(zhì)分析管道表面產(chǎn)物及材質(zhì)分析1. 管道表面附著物分析管道表面附著物分析 取管道表面附著物進(jìn)行取管道表面附著物進(jìn)行x射線衍射分析，管射線衍射分析，管道表面除金屬腐蝕產(chǎn)物道表面除金屬腐蝕產(chǎn)物Fe2O3、FeOOH、FeCO3外，主要是一些礦物質(zhì)。外，主要是一些礦物質(zhì)。2腐蝕管表面銹層分析腐蝕管表面銹層分析 取腐蝕管表面銹層進(jìn)行取腐蝕管表面銹層進(jìn)行x射線衍射分析，分射線衍射分析，分析結(jié)果如圖析結(jié)果如圖8-59所示。所示。圖圖8-59 腐蝕管表面銹層衍射分析曲線腐蝕管表面銹層衍射分析曲線 構(gòu)成

40、銹層的主要物相為構(gòu)成銹層的主要物相為Fe3O4、Fe2O3。和。和FeOOH以及少量的以及少量的FeO（OHCI）。分析的結(jié)果與）。分析的結(jié)果與管道表面附著物管道表面附著物物相分析物相分析結(jié)果是一致的。圖結(jié)果是一致的。圖8-59分分析主要分析銹層，在分析時去除了土等粘附物，因析主要分析銹層，在分析時去除了土等粘附物，因此得到的是鐵銹的構(gòu)成。一些溶解于水的腐蝕產(chǎn)物此得到的是鐵銹的構(gòu)成。一些溶解于水的腐蝕產(chǎn)物如如硫酸鹽硫酸鹽、氯化物氯化物等，由于溶解于水中，以離子形等，由于溶解于水中，以離子形式存在，在式存在，在x射線衍射分析中無法查出。射線衍射分析中無法查出。3材質(zhì)分析材質(zhì)分析 在腐蝕孔附近及其

41、遠(yuǎn)處取樣作在腐蝕孔附近及其遠(yuǎn)處取樣作金相分析金相分析。管道材。管道材料為料為Q235鋼，為正常的軋制組織，在腐蝕孔周圍未鋼，為正常的軋制組織，在腐蝕孔周圍未發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。發(fā)現(xiàn)冶金缺陷。8.10.3 管道所處土壤成分分析管道所處土壤成分分析 取不同部位的管道填埋土，作化學(xué)成分分析，主取不同部位的管道填埋土，作化學(xué)成分分析，主要分析對金屬腐蝕影響比較大的要分析對金屬腐蝕影響比較大的pH值、部分陰離子值、部分陰離子和陽離子，結(jié)果如表和陽離子，結(jié)果如表8-18所示。所示。表表8-18 填埋土成分分析結(jié)果填埋土成分分析結(jié)果8.10.4 管道腐蝕原因分析管道腐蝕原因分析1金屬腐蝕過程金屬腐蝕過程由上述分析

42、結(jié)果，可知地下水管的金屬腐蝕過由上述分析結(jié)果，可知地下水管的金屬腐蝕過程如下所述。程如下所述。（1）金屬的氧腐蝕過程。）金屬的氧腐蝕過程。 Fe為陽極，失去電子變成離子；氧為陰為陽極，失去電子變成離子；氧為陰極，發(fā)生還原反應(yīng)，這是主要的腐蝕過程。極，發(fā)生還原反應(yīng)，這是主要的腐蝕過程。在中性和堿性環(huán)境，其反應(yīng)過程應(yīng)為在中性和堿性環(huán)境，其反應(yīng)過程應(yīng)為陽極反應(yīng)陽極反應(yīng)：Fe表面與極性水分子作用溶解表面與極性水分子作用溶解 Fe2+在水中與陰極反應(yīng)形成的在水中與陰極反應(yīng)形成的OH-作用作用Fe(OH)2：部分脫水形成：部分脫水形成FeOOH或或Fe3O4沉淀。沉淀。陰極反應(yīng)陰極反應(yīng)：氧的還原過程：氧的

43、還原過程（2）其他反應(yīng)過程。）其他反應(yīng)過程。 處在含有氯、處在含有氯、SO32-等離子或氯化物的溶液中時，等離子或氯化物的溶液中時，F(xiàn)e會與溶液中的氯化物等發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，會與溶液中的氯化物等發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)，其結(jié)果是其結(jié)果是FeFe2+溶解。在含有溶解。在含有HCO3-離子時，離子時， HCO3-離子可與氧化反應(yīng)形成的離子可與氧化反應(yīng)形成的Fe(OH)2發(fā)生反應(yīng)，發(fā)生反應(yīng)，使使Fe(OH)2溶解，從而破壞溶解，從而破壞Fe2+20H- Fe(OH)2反反應(yīng)的平衡，加速應(yīng)的平衡，加速Fe的溶解。發(fā)生在管道與其接觸的的溶解。發(fā)生在管道與其接觸的土壤界面上的這類反應(yīng)有土壤界面上的這類反應(yīng)

44、有這些反應(yīng)不僅直接加速了這些反應(yīng)不僅直接加速了Fe的腐蝕溶解，而且破的腐蝕溶解，而且破壞管道表面保護(hù)結(jié)構(gòu)，形成不同的腐蝕形態(tài)，加壞管道表面保護(hù)結(jié)構(gòu)，形成不同的腐蝕形態(tài)，加速腐蝕過程。速腐蝕過程。2土壤特性和鹽類濃度對腐蝕的影響土壤特性和鹽類濃度對腐蝕的影響 埋設(shè)在土壤中管道的腐蝕應(yīng)屬于土壤腐蝕的范疇，因此，埋設(shè)在土壤中管道的腐蝕應(yīng)屬于土壤腐蝕的范疇，因此，土壤的特性對管道金屬的腐蝕有很大的影響。土壤的特性對管道金屬的腐蝕有很大的影響。土壤的土壤的pH值、粘度、致密性、導(dǎo)電性、鹽類類型和濃度等值、粘度、致密性、導(dǎo)電性、鹽類類型和濃度等都對金屬的都對金屬的腐蝕速度有很大影響，埋地管道所處土壤的性質(zhì)

45、，屬于腐蝕速度有很大影響，埋地管道所處土壤的性質(zhì)，屬于鹽堿鹽堿土土，鹽類含量較高，導(dǎo)電性較好；，鹽類含量較高，導(dǎo)電性較好；疏松疏松，易于氧氣的傳輸，易于氧氣的傳輸?shù)?，可引起?yán)重腐蝕，導(dǎo)致管道穿孔。等，可引起嚴(yán)重腐蝕，導(dǎo)致管道穿孔。 一般地說，在一定濃度以下，隨著鹽類（中性）濃度的增一般地說，在一定濃度以下，隨著鹽類（中性）濃度的增加，金屬的腐蝕速度明顯增高。加，金屬的腐蝕速度明顯增高。一方面一方面，鹽類的增加，提高，鹽類的增加，提高了土壤的導(dǎo)電性，加速了腐蝕，了土壤的導(dǎo)電性，加速了腐蝕，另外另外，鹽類可直接參與腐蝕，鹽類可直接參與腐蝕過程過程,如上所述。如上所述。另外，離子的存在另外，離子的存在，對形成孔狀腐蝕有很，對形成孔狀腐蝕有很大作用。大作用。3保護(hù)結(jié)構(gòu)破壞或表面沉積物對腐蝕的作用保護(hù)結(jié)構(gòu)破壞或表面沉積物對腐蝕的作用 對地下金屬管道的防護(hù)，由于受成本的影響，一對地下金屬管道的防護(hù)，由于受成本的影響，一般般不采用耐蝕材料或高級防護(hù)方法不采用耐蝕材料或高級防護(hù)方法。涂瀝青