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        芯棒斷裂失效分析

        2015-11-30 03:27:15天津賽瑞機器設(shè)備有限公司胡志光邵紅霞
        金屬加工(熱加工) 2015年21期
        關(guān)鍵詞:芯棒偏析碳化物

        ■天津賽瑞機器設(shè)備有限公司 王 剛,胡志光,王 鵬,邵紅霞

        芯棒斷裂失效分析

        ■天津賽瑞機器設(shè)備有限公司 王 剛,胡志光,王 鵬,邵紅霞

        芯棒是軋制無縫鋼管的一個變形工具,目前國內(nèi)外均采用H13鋼作為芯棒材料,H13是由美國開發(fā)的熱作模具鋼材料,因具有較高熱強性、抗熱疲勞性能及抗熱振性,而得到廣泛應(yīng)用。對芯棒斷裂原因進行了分析。

        芯棒在上線軋制無縫鋼管僅700余支就在尾部外螺紋處發(fā)生橫向斷裂事故。該芯棒使用的原材料為電渣鋼,材質(zhì)為H13(4Cr5MoSiV1),表面硬度要求范圍為310~380HBW,抗拉強度要求為Rm≥1050MPa,沖擊吸收能量要求為KV2≥20J。為查明芯棒早期斷裂失效原因,提出改進措施,將斷裂芯棒解剖進行綜合分析。

        1. 斷口宏觀觀察

        將芯棒在斷裂處按圖1進行鋸切,斷口處宏觀形貌見圖2。

        從芯棒斷口宏觀形貌可看出,裂紋源位于螺紋根部一側(cè),以放射狀快速擴展,斷口平齊無塑性變形,為典型的脆性斷裂。在開裂區(qū)和裂紋擴展區(qū)部位各取一塊試樣進行綜合分析。

        2. 分析結(jié)果

        (1)化學(xué)成分分析 在1/2半徑處切取試樣進行化學(xué)成分分析,結(jié)果見表1。從分析結(jié)果中可以看出,各主要元素含量均符合技術(shù)要求。

        (2)性能和硬度檢驗 經(jīng)取樣對性能和硬度進行檢驗,試驗結(jié)果顯示所有檢驗項目均符合技術(shù)要求。

        (3)電鏡分析 將兩個斷口試樣反復(fù)清洗后入電鏡樣品室進行觀察:裂紋源位于一側(cè)螺紋根部,裂紋源部位無夾雜物偏聚等其他缺陷,裂紋源部位斷口低倍形貌如圖3所示。放大觀察:裂紋源表面有一深度約0.1mm氧化層,這個區(qū)域為最早開裂區(qū),局部放大形貌照片如圖4、圖5所示。裂紋擴展區(qū)形貌為穿晶準解理,局部放大形貌如圖6所示。裂紋源區(qū)斷口局部有塊狀物,局部放大形貌如圖7所示,經(jīng)能譜分析塊狀物是(VCrMo)C,結(jié)果如圖8譜線所示。

        圖1 鋸切位置示意

        圖2 斷裂芯棒脆性斷口和開裂部位斷口宏觀形貌

        圖3 裂紋源部位及裂紋擴展區(qū)(10×)

        圖4 表面氧化層和擴展區(qū)脆性斷口(150×)

        表1 化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分數(shù)) (%)

        (4)金相分析 開裂源部位所取試樣橫向觀察:試樣橫截面表面部位有明顯網(wǎng)狀偏析特征,局部低倍形貌見圖9,開裂源部位組織為回火索氏體,偏析區(qū)中有塊狀液析碳化物,局部放大形貌見圖10。

        開裂源部位和1/2半徑部位所取試樣縱向觀察:1/2半徑部位帶狀偏析比表面部位嚴重,1/2半徑部位偏析組織局部低倍形貌見圖11,偏析帶中有塊狀碳化物,局部放大形貌見圖12。1/2半徑部位液析比表面部位液析嚴重,表面部位液析組織局部放大形貌見圖13,1/2半徑部位液析組織局部放大形貌見圖14。

        兩個試樣的金相分析結(jié)果見表2和表3。

        3. 試驗總結(jié)

        斷裂芯棒裂紋源位于螺紋根部的一側(cè),以放射狀快速擴展,斷口平齊無塑性變形,為典型脆性斷裂。開裂源部位斷口表面有深度約為0.1mm氧化層,從氧化程度判斷該部位開裂較早,已無法觀察到斷口的原始形貌特征,該部位為應(yīng)力集中裂紋源。裂紋擴展區(qū)斷口形貌為準解理特征。裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)組織均為回火索氏體+碳化物,晶粒度為8.5級,夾雜物無超標現(xiàn)象。裂紋源區(qū)和裂紋擴展區(qū)均存在明顯的成分偏析和液析現(xiàn)象,裂紋擴展區(qū)(1/2半徑部位)比表面開裂源部位明顯嚴重。偏析區(qū)中液析塊狀物是(VCrMo)C。夾雜物和一次碳化物的評級,屬于標準中可接受的范圍內(nèi)。

        圖5 表面氧化層斷口(2000×)

        圖6 試樣裂紋擴展區(qū)準解理斷口(1500×)

        圖7 塊狀碳化物(3000×)

        圖8 斷口中塊狀碳化物能譜分析

        圖9 網(wǎng)狀偏析組織局部低倍形貌(25×)

        圖10 偏析組織S回及液析碳化物(500×)

        表2 組織和晶粒度分析結(jié)果

        表3 夾雜物分析結(jié)果

        4. 結(jié)論和建議

        (1)芯棒在螺紋根部開裂,其主要原因是芯棒在吊運或使用過程中受到反復(fù)切向沖擊力,螺紋根部是整支芯棒受力最薄弱處,并且沖擊力大于芯棒在螺紋根部處的承受能力。

        (2)芯棒斷裂的次要原因為芯棒材質(zhì)存在成分偏析和液析現(xiàn)象,需對國產(chǎn)鋼材質(zhì)量進行提升。

        (3)螺紋根部尤其是螺紋根部后角處的圓角極小,是整支芯棒受力時的最薄弱處。因此,建議芯棒的螺紋根部圓角加大至R8mm。

        (4)建議將芯棒的螺紋改為內(nèi)螺紋,除了防止斷裂外,內(nèi)螺紋芯棒還有以下幾個優(yōu)點:①芯棒的性能檢驗是在1/2半徑處進行的,1/2半徑外的材料性能優(yōu)于1/2半徑內(nèi)的材料性能,這就提高了螺紋處的性能及使用壽命。②如果使用過程中出現(xiàn)問題,損壞的是連接桿的螺紋,從而保住了成本極高的芯棒工作段。③在芯棒工作段除螺紋外的長度一定的情況下,減少了芯棒工作段的重量,從而節(jié)約了生產(chǎn)芯棒工作段的成本。

        圖11 帶狀偏析組織局部低倍形貌(50×)

        圖12 帶狀偏析組織及碳化物(500×)

        圖13 液析組織局部放大形貌(100×)

        圖14 液析組織局部放大形貌(100×)

        [1] 蔡美良,丁惠麟,孟滬龍. 新編工模具鋼金相熱處理[M].北京:機械工業(yè)出版社,1998.

        [2] 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會. 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,1990.

        [3] 亨利G. 宏觀斷口與顯微斷口學(xué)[M]. 北京:機械工業(yè)出版社,1980.

        20150708

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