(2.85)--材控金属构件失效分析.ppt

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1、FAILURE ANALYSISCr12型钢制冷作模具开裂失效分析01背 景 介 绍结 果 分 析理 化 检 测结 论 及 建 议020304CONTENTSFAILURE ANALYSIS背景介绍01背 景 介 绍某公司委托一件材料牌号为日本SKD11的高碳高合金冷作模具做失效分析，模坯规格尺寸为980 x980 x30mm，实物外观形貌见图1。该模具工艺路线为：外购板材下料一机加工(铳平面+线切割圆孔和通孔四方槽等)一整体热处理一磨削平面等。模具热处理工艺：真空炉1020C淬火气冷+200C回火二次，热处理硬度要求为58-60HRC。该模具磨削加工后，静置不久发现模具的一个侧边产生裂纹。背

2、 景 介 绍图1 实物图图2 裂纹及取样部位FAILURE ANALYSIS理化检测02理 化 检 测开裂模具宏观观察模具整个模面有许多大小不一的贯穿圆孔和通孔四方槽，孔槽位处都存在尖锐直角。肉眼可见两条长度分别约为62mm和28mm的裂纹，均位于模具上有倒角位的一个侧边（即不具应力集中尖角效应的部位），见图1、2，而且出现裂纹的侧边有十分明显的铣削粗糙刀痕。模具上的磨削面都比较光滑平整，无肉眼可见磨削烧伤斑痕。图2 裂纹及取样部位理 化 检 测化学成分分析开裂模具化学成分分析结果见表1。与日本标准JIS G4404中SKD11材质成分对照，开裂模具 的Mo含量与标准要求的成分相差甚远，不符合

3、SKD11材质成分要求；与国产GB/T1299中Cr12MoV材质成分对照，则符合国产Cr12MoV材质成分的要求。理 化 检 测金相分析非金属夹杂物、共晶碳化物及碳化物块度的检查在拋光态下检测样品纵向的非金属夹杂物，按GB/T10561-89钢中非金属夹杂物显微评定方法 评定为氧化物夹杂B2.0级，见图3。图3 氧化物夹杂理 化 检 测样品经4%硝酸酒精腐蚀后，共晶碳化物不均匀度按GB/T14979-94钢的共晶碳化物不均匀度评定法第四级别图评定为3级，见图4。样品中的共晶碳化物颗粒粗大且棱角较锋利，检测到的最大块状碳化物尺寸约为31m，评定为5级，见图5，按JB/T7713-1995高碳高

4、合金钢制冷作模具显微组织检验要求，其大块碳化物一般不超过3级（即17m）。图4 共晶碳化物形貌图5 大块碳化物理 化 检 测基体组织检查将样品在三酸乙醇溶液中腐蚀，基体组织为回火马氏体+块粒状碳化物+残余奥氏体，淬火回火马氏体3级，晶粒度为9级，样品腐蚀后基体颜色灰白，残余奥氏体较多，表明样品回火不足，见图 5、6。垂直裂纹取样，裂纹附近未出现明显的氧化和脱碳组织，可见明显的微细裂纹，裂纹大多沿晶界分布，并穿过晶界和碳化物不断扩展，见图7。理 化 检 测磨削面和铣削侧面的组织检查在检查样品的磨削剖面时，发现样品上有因磨削过度引起的、深度约0.22mm的磨削高温回火烧伤层（黑色区），而无二次淬火

5、烧伤组织（即淬火马氏体，一般为白色区域），表明模具在磨削加工过程中，磨削表面集热温度没有超过材料的临界点，但仍属不良的磨削加工状态，见图8。在检测模具铣削侧面纵向剖面的表层组织时，观察到原本呈带链状的共晶碳化物沿铣削方向发生了明显的塑性变形，并且存在因铣削加工不良产生的深度约0.20mm热影响回火层，见图9。金相分析理 化 检 测图9 不良铁削层组织图8 磨削烧伤层组织理 化 检 测硬度检测在模具基体、裂纹附近及样品上检测表面和内部硬度，测得表里硬度比较一致，平均硬度值约为 58.1HRC，符合模具硬度为58-60HRC的技术要求。电镜观察沿裂纹方向将样品打开，断口面无明显的塑性变形。电镜观察

6、，可见明显的准解理、二次裂纹以及表面擦痕，如图10、11所示。理 化 检 测图11 表面擦痕图10 准解理及二次裂纹FAILURE ANALYSIS结果分析03结 果 分 析材质化学成分分析结果表明，开裂模具的Mo含量偏低，不符合日本SKD11材质成分的要求,只符合国产Cr12MoV材质成分的要求。由此可判定，该模具材料实际上是国产Cr12MoV钢材，而不是日本SKD11材料，材料商用国产模具钢材Cr12MoV代替日本SKD11材料提供给了客户。结 果 分 析据资料显示，日本材料SKD11的淬火温度为1030C,Cr12MoV的淬火温度为950-1000C。但在实际运用中，模具钢Cr12型的C

7、r12MoV和SKD11材料在1000-1050C的淬火温度范围生产均可（有的根据工艺需要而有所不同），所以模具的淬火温度在1020C是正常的。但是国产Cr12MoV材料中Mo元素比日本材料SKD11要低一倍左右，这使Cr12MoV模具在提高回火稳定性、淬透性、细化晶粒和改善钢的韧性上能力有所下降。结 果 分 析模具热处理后的基体组织为回火马氏体+块粒状碳化物+残余奥氏体，晶粒明显，残余奥氏体较多，材料回火不足。同时原材料中块状碳化物颗粒大且棱角尖锐，超过了最大评级范围5级（一般碳化物的块度不得大于3级即17m），使得材料的脆性增大。结 果 分 析模具铣削面组织有塑性变形痕迹，磨削面有磨削烧伤

8、回火层，这些都表明该模具在后期外形的加工过程中，进给量过大、进给速度过快和冷却不良。按裂纹始发于应力集中的最薄弱环节讲，该模具的裂纹没有发生在外形上有尖角效应的应力集中部位，而是出现在模具有倒角部位的同一侧边，表明模具是由于外形不良磨削、铣削时产生的加工应力与材料内组织应力相叠加，当其总应力超过材料的强度极限时，使模具在静置不久后就在该处产生脆性开裂。FAILURE ANALYSIS结论及建议04综 上 所 述结论模具回火不足是导致模具开裂的主要因素，后期的不良磨削、铣削加工和碳化物块度粗大是促使模具开裂的诱发因素。建议外购模具材料时，应加强原材料的质量控制。大尺寸的冷作合金钢模具淬火后，应及时进行回火处理，并根据模具的实际性能使用要求，选择在400-500C回火，以降低材料的内部应力，提高模具使用寿命。根据模具硬度，适当调整磨削、铣削加工工艺，以消除加工不良带来的热影响层，改善材料表面的应力分布。FAILURE ANALYSIS感 谢 您 的 聆 听THANK YOU FOR YOUR LISTENING