(2.105)--材料失效分析案例金属构件失效分析.ppt

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1、GCr15SiMnGCr15SiMn钢轴承套圈磨削钢轴承套圈磨削氢脆致断分析氢脆致断分析 零件背景零件背景某外径为450mm,壁厚为50mm的GCr15SiMn钢轴承圈,在最终热处理后进行磨削加工时,批量产生沿径向由外表面迅速向内表面扩展的开裂,造成很大的经济损失。其生产工艺为轧制(10501150锻造)球 化 退 火 机 械 加 工 淬 火(840)+回 火(170)磨削等工序。1化学成分化学成分分析分析2硬度分析硬度分析3断口宏观形貌断口宏观形貌4断口显微组织断口显微组织5结果分析与结论结果分析与结论目录目录 CONTENTSCONTENTS化学成分分析取一部分试样碎末，利用化学元素分析仪

2、分析零件成分。11化学成分分析化学成分分析从上表看出，零件的化学成分符合标准要求。1化学成分化学成分分析分析2硬度分析硬度分析3断口宏观形貌断口宏观形貌4断口显微组织断口显微组织5结果分析与结论结果分析与结论目录目录 CONTENTSCONTENTSStep1Step1Step2Step2在金相抛光面上,从裂纹源处开始沿轴向至壁厚中部每隔3mm检测其硬度。表2显示,裂纹边缘硬度与内部硬度基本一致,硬度均大于60HRC,符合标准要求;无明显脱碳软化现象。22硬度分析硬度分析1化学成分化学成分分析分析2硬度分析硬度分析3断口宏观形貌断口宏观形貌4断口显微组织断口显微组织5结果分析与结论结果分析与结

3、论目录目录 CONTENTSCONTENTS断口断口宏观宏观形貌形貌采用机械加压方法使套圈沿裂纹断开,首先对断口形貌用肉眼观察。用线切割从试样断口处切取一块含有裂纹源区+裂纹扩展区+压断区的断口试样。用酒精清洗后在丙酮中用超声波清洗20min取出干燥,用扫描电镜观察该断口形貌。通过肉眼观察发现,裂纹源位于轴承套圈外表面沟槽尖角处。试样两断面均为裂纹扩展形成,裂纹长而平直,由轴承套圈外表面沿径向向内表面扩展,初始裂纹最深处约为15mm,裂纹总长约60mm。初始裂纹有褐色氧化条纹,继续向里扩展为灰色,裂纹表面光滑细腻呈瓷状,属典型的脆性断口特征。新断口呈银灰色,断口组织细密有金属光泽,说明晶粒很细

4、小。33断口宏观形貌断口宏观形貌断口断口宏观宏观形貌形貌由图2a可见,断口平齐呈放射状特征,没有明显的塑性变形迹象,断面结构呈细瓷状,边缘无明显剪切唇,也无纤维状。由图2b可见,断口形貌为韧窝+解理断口,呈混合断口特征。大部分属于沿晶脆性开裂,沿晶分离面平滑,无微观塑性变形特征,晶粒均匀细小,无过热特征。但发现有很长很深的一条穿晶带(如箭头所示),认为应该存在某种链条状脆性组织缺陷。33断口宏观形貌断口宏观形貌断口断口宏观宏观形貌形貌由图3可见,新压断口处形貌与起裂处大体相同,断口形貌仍为韧窝+解理断口,混合断口特征不变。说明裂纹处与新压断口处的组织相同。另外均未发现有明显的非金属夹杂物和气孔

5、等缺陷。33断口宏观形貌断口宏观形貌1化学成分化学成分分析分析2硬度分析硬度分析3断口宏观形貌断口宏观形貌4断口显微组织断口显微组织5结果分析与结论结果分析与结论目录目录 CONTENTSCONTENTS断口显微组织断口显微组织在垂直于裂纹源断面方向的侧面作为金相试样端面,经机械磨抛后用4%硝酸酒精溶液浸蚀,然后用光学显微镜观察其显微组织。44断口显微组织断口显微组织图（图（a a）分析）分析由图（a）可见,断口处组织为细回火隐针马氏体+细小碳化物颗粒,未发现有过热的粗针马氏体,但发现有半封闭粗大网状分布的碳化物(图中白亮网状组织）存在。按照JB/T1256-2001高碳铬轴承钢滚动轴承零件热

6、处理技术条件规定,其网状碳化物为3级以上,超过标准要求的2.5级。回火组织符合标准要求,为一级回火组织。图（图（b b）分析分析图（b）为另一处的显微组织,可见组织中有较严重的碳化物(白亮组织)偏析。粗大网状碳化物和严重的碳化物偏析,对基体组织有很大的割裂作用,将大大增加组织脆性,因而淬火时在热应力和相变应力的作用下极易开裂。因此,网状碳化物存在和碳化物偏析是引起轴承套圈开裂的主要原因。44断口显微组织断口显微组织1化学成分化学成分分析分析2硬度分析硬度分析3断口宏观形貌断口宏观形貌4断口显微组织断口显微组织5结果分析与结论结果分析与结论目录目录 CONTENTSCONTENTS由以上检测分析

7、结果可见,GCr15SiMn钢轴承套圈的化学成分符合要求,硬度检测合格,尤其裂纹附近未出现脱碳软化现象,说明裂纹不是在淬火前形成的。由断口SEM形貌可见,晶粒细小均匀,未发现有明显的非金属夹杂物和气孔等缺陷。碳化物颗粒和细隐针马氏体都很细小,组织合格无过热。以上表明产品的球化退火和最终热处理工艺正确。但从裂纹处SEM形貌中穿晶带的存在,到显微组织中半封闭粗大网状碳化物的出现以及碳化物组织的严重偏析,都说明引起套圈开裂的主要原因。原因原因1 1钢材在轧制过程中,由于锻造比不够,造成碳化物组织的严重偏析。原因原因2 2始终锻温度偏高,尤其终锻温度偏高,在缓慢冷却过程中,沿晶界析出了粗大的半封闭网状

8、分布的碳化物。因而使材料的脆性显著增大,以至在淬火过程中致使材料开裂,导致产品在磨削中受外力作用使裂纹扩展而失效。55结果分析与结论结果分析与结论轴承套圈的回火组织中存在半封闭网状分布碳化物并伴有碳化物偏析,不符合标准要求,是轴承套圈开裂失效的主要原因。Conclusion1Conclusion1轴承套圈在轧制过程中,由于锻造比不够,存在碳化物组织严重偏析;终锻温度偏高，冷却缓慢,造成碳化物沿晶界析出了呈粗大半封闭网状分布,使材料的脆性显著增大,致使材料在相变过程中产生裂纹,导致断裂。Conclusion2Conclusion2建议对GCr15SiMn钢轴承套圈增加锻造比;同时严格控制终锻温度在800850C,采用分散锻件和加强通风等手段加快冷却速率。Conclusion3Conclusion3结论结论55结果分析与结论结果分析与结论THANKS！