(2.19)--23材料失效分析案例金属构件失效分析.ppt

《(2.19)--23材料失效分析案例金属构件失效分析.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《(2.19)--23材料失效分析案例金属构件失效分析.ppt（16页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、高速钢刀具常见材料失效典型案例分析高速钢刀具简介1失效的主要形式及原因2典型案例分析3材料因素的影响4结论5高速钢刀具高速钢刀具简介1切削刀具在汽车工业、航空航天工业、能源工业和军事工业等国民经济的建设中起着非常重要的作用。高速钢刀具在强度、韧性及工艺性等方面具有优良的综合性能，在复杂刀具，尤其是制造孔加工刀具、铣刀、螺纹刀具、拉刀、切齿刀具等一些刃形复杂刀具，高速钢仍占据主要地位。2010年我国高速钢刀具总产量11.4亿件，占刀具总产量的79%，高速钢刀具总产值626.58亿元，占刀具总产值的68.6%。由于高速钢刀具大多数为标准刀具，生产批量大，如果质量不稳定，将造成大量产品报废。因此，失

2、效件的分析将对控制产品质量稳定及预防大批量产品失效起到重要作用。失效的主要形式及原因2高速钢刀具一般的制造工艺为：原材料热轧退火机加工淬火+回火刃磨开口表面处理等。高速钢刀具的失效形式主要表现为切削过程中的崩刃、后刀面磨损、刃口塑性变形、前刀面磨损等失效形式及热处理后的变形严重、产生裂纹或开裂、表面硬度低等失效形式。由于刀具失效形式多种多样，其失效原因也比较复杂，除了对刀具的选择和使用不当外，主要还有刀具本身的质量问题。一般来说影响刀具质量的因素主要有四个方面：一是原材料质量；二是热处理质量；三是刀具结构设计及加工精度；四是表面处理质量。其中原材料质量及热处理技术是失效的主要原因，占失效总量的

3、80%以上。国内的一些刀具制造中小企业，刀具的检测技术水平较低，无法实现对刀具制造过程的质量监控，导致刀具的失效。据调查，很多企业对过程质量控制认识不足，对生产过程中的检验认识存在误区。表1为很多中小型刀具制造企业对质量检验的认识及应该重点检验的项目。可看出，可很多中小型企业的检验项目只重视硬度和外形尺寸，而忽略了金相等项目的检验。典型案例分析3很多企业往往是发现刀具的硬度不足、产生裂纹或断裂等明显的质量问题后才进行事后分析，很少主动进行质量过程控制及检测。由于对原材料及热加工过程缺乏检验，缺少很多重要的材料信息，增加了失效分析的难度，而且由于高温盐浴炉的控温稳定性较差及操作不规范，即使找出失

4、效原因，也很难进行改进。根据对100多个失效样品的分析可见，在检测水平相对低下的刀具制造企业，原材料及热加工失效占了失效总数的85%以上。典型案例分析3案例一中心钻混料导致的淬火过热失效某企业委托对几种规格的中心钻进行材料检验，怀疑混料。检测结果，见表2。根据GB/T9943-2008高速工具钢中钢号成分要求，1#和2#没有对应的钢号，3#为W6Mo5Cr4V2。1#和2#通常被称为4241的钢号。典型案例分析3这种钢由于其合金元素比较低，价格便宜(仅相当于W6Mo5Cr4V2钢价格的1/2-2/3)；合金碳化物含量较少，其耐磨性和红硬性较低，主要用于制造低速钻头，同时也有一些不法企业用来制作

5、假冒产品。由于缺乏国标要求，每家企业冶炼出来的4241成分差别也比较大。比如某厂家规定为表3所示的成分，如果按照该厂家的规定，C偏高，Si偏低，其他成分合格。对1#和2#进行金相分析，金相组织如图1所示。根据金相分析知，沿轧制方向带状组织明显，成分分布不均，马氏体针粗大，组织已经过热。横截面方向金相组织分布也不均匀，马氏体针粗大，残余奥氏体较多。主要原因是与W6Mo5Cr4V2混料后，淬火温度过高导致过热。典型案例分析3案例二高速钢车刀过烧失效截面为40mm40mm的W4Mo3Cr4VSi材质的高速钢车刀发黑处理后发现表面有细微裂纹。怀疑为磨削裂纹，委托进行了金相检验。金相组织如图2所示。典型

6、案例分析3图2(a)为基体的金相组织，可看出，有网状的白色渗碳体组织，还存在鱼骨状的共晶莱氏体组织，为严重的过烧组织。该组织脆性非常大，为不合格组织。图2(b)为表层裂纹处的金相组织。可看出，表面裂纹处存在脱碳现象。表层的脱碳组织使得在淬火冷却时表面先形成马氏体组织，里层后形成马氏体组织，表层产生了大残余拉应力，导致表层裂纹产生。典型案例分析3案例三网状碳化物分布不合格造成的裂纹某企业生产的成型铣刀，材料为高速钢W6Mo5-Cr4V2，淬火+三次回火后检测发现硬度偏低，退火后重新进行淬火+三次回火，表面发现有裂纹。然后进行了金相检验。金相组织如图3所示。典型案例分析3图3(a)为深腐蚀后的金相

7、组织。从图3(a)可看出网状碳化物的分布。根据GB/T14979-1994钢的共晶碳化物不均匀度评定法评定，网状碳化物不均匀度为7级，根据GB/T9943-2008高速工具钢规定共晶碳化物不均匀度应不大于3级。因此为不合格组织。图3(b)为裂纹处的高倍金相组织。可看出存在大量的白色网状碳化物，粗大的马氏体针，组织已严重过热。由于碳化物分布非常不均匀，奥氏体组织中成分分布非常不均匀，导致正常淬火温度和时间时马氏体组织不均匀，有些区域过热，而有些区域欠热，容易产生裂纹和硬度不均。典型案例分析3案例四钻头淬火表面脱碳导致的硬度不足失效某企业采用相同的工艺生产的准3.3mm和准3.4mm两种规格的轧直

8、柄制麻花钻。钻削试验时发现准3.4mm钻头易崩刃，准3.3mm钻头符合要求。成分检验合格，但含量偏下线。心部金相组织回火充分。碳化物分布也都比较均匀。刃口金相检验结果如图4所示。从图4(a)可看出3.4mm钻头的刃口处有脱碳现象，脱碳层约为25m。而图4(b)可看出，准3.3mm钻头的刃口处无脱碳现象。脱碳后表面形成了过热的粗针马氏体，碳化物颗粒减少，硬度偏低。此案例中脱碳的原因主要是热处理时盐浴炉脱氧不完全造成的。材料因素的影响4从以上几个典型的失效分析案例可以看出，刀具失效主要是原材料成分和金相不合格及热处理工艺不当造成的过热、过烧、脱碳等缺陷组织引起的。因此，应该做好从原材料检验到热处理

9、质量检验等过程质量控制。在质量过程控制中，首先应确定刀具制造过程中的各个环节影响失效的主要因素，确定出需要的检验项目及指标，采取合理的检测方法和测试流程，建立严格的检验制度规程。然后，通过检验结果反馈优化相应的热处理等加工工艺参数，制定出合理的刀具热处理等加工工艺参数，最终实现刀具质量控制的目的。材料因素相关检验项目、测试技术方法和检验目的列在表4。材料因素的影响4可看出，表4中具体状态分析，由于原材料是直接热轧后成型的，一是热轧温度较高晶粒粗大容易出现混晶；二是大截面尺寸的中心变形小，有些铸造缺陷不能被消除(比如成分偏析、裂纹、夹杂物等)。这样轴中心如存在热轧留下的缺陷，就会造成后续使用中的隐患，多数从内部起裂的失效案例都是由于存在原始缺陷造成。结论5结论一从动轴的断裂形式中心为一次性的过载断裂，边缘为疲劳断裂，疲劳源区在次表层。结论二从动轴的断裂原因是由于轴中心存在原始缺陷，在使用中扩展为一条长140mm的大裂纹，裂纹源从大裂纹的边缘沿横向扩展，断口形貌复杂，断裂形式多样。结论三从动轴材料心部组织为铁素体珠光体，有魏氏组织倾向，按YB31-64标准评级为C列1级，晶粒大小不均匀，有混晶现象。结论四从动轴表面热处理工艺控制不当，使表面硬度不高且未达到调质处理的组织。谢谢指导