H13外筒開(kāi)裂失效分析

■ 彭元飛，王晨

掃碼了解更多

我公司最近有一件材質(zhì)為H13（4Cr5MoSiV1），外徑為1460mm、內(nèi)徑為700mm的外筒，在熱裝完成后機(jī)加工過(guò)程中發(fā)生多處開(kāi)裂，裂紋主要沿縱向開(kāi)裂，也有沿周向分布的次裂紋，其開(kāi)裂形貌如圖1~圖4所示。

圖1 外筒開(kāi)裂形貌

圖2 外筒端面開(kāi)裂形貌

圖3 外筒端面開(kāi)裂形貌

圖4 外筒端面開(kāi)裂形貌

該外筒的工藝過(guò)程為：鑄造→鍛造→調(diào)質(zhì)→淬火→兩次回火→熱裝→機(jī)加工，其中淬火溫度：1050℃；回火溫度：第一次580℃，第二次600℃。熱裝溫度要求300℃，實(shí)際溫度為近500℃。內(nèi)外筒的配合過(guò)盈量符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

為分析外筒開(kāi)裂的原因，現(xiàn)檢驗(yàn)分析如下：

1.化學(xué)成分分析

采用ARC-MET8000便攜式全譜直讀光譜儀，對(duì)開(kāi)裂外筒試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表1所示，可見(jiàn)該外筒的化學(xué)成分符合標(biāo)準(zhǔn)要求。

2.硬度檢驗(yàn)

通過(guò)對(duì)實(shí)體硬度檢測(cè)，其平均硬度為55~56HRC。經(jīng)調(diào)查，該件淬火、回火后加工前的硬度為50～52HRC，而技術(shù)要求為48~52HRC。工件實(shí)際硬度比圖樣要求的硬度略高。

3.性能試驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證性能指標(biāo)，在開(kāi)裂的工件上切取試樣，其試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。

從試驗(yàn)結(jié)果表明，強(qiáng)度指標(biāo)過(guò)高，而塑、韌性指標(biāo)過(guò)低。

4.斷口分析

開(kāi)裂外筒的斷口宏觀(guān)特征為斷面較為平整、光滑，無(wú)明顯的塑性變形痕跡，屬于脆性斷裂。同時(shí)在斷口上發(fā)現(xiàn)下列現(xiàn)象，斷面上分布著比較光滑的小亮點(diǎn)，有金屬光澤，呈銀灰色，這是典型的萘狀斷口，如圖5所示。

依據(jù)相關(guān)資料，產(chǎn)生萘狀斷口的主要原因：

（1）在鍛造過(guò)程中終鍛溫度過(guò)高，或鍛件過(guò)熱且變形量較小易產(chǎn)生萘狀斷口。

（2）由于熱處理工藝中連續(xù)兩次淬火，中間未經(jīng)退火也容易產(chǎn)生萘狀斷口。

出現(xiàn)這種斷口，材料的力學(xué)性能差，并且沖擊韌度也明顯降低。

圖5 外筒斷口宏觀(guān)形貌

5.組織檢驗(yàn)

在開(kāi)裂的工件上取樣，經(jīng)過(guò)酸蝕，對(duì)組織檢驗(yàn)分析，其組織為板條狀馬氏體+殘留奧氏體+顆粒狀碳化物。其中板條馬氏體存在色澤上的差異，有深灰色的板條馬氏體和淺白色的馬氏體，淺白色馬氏體是由于殘留奧氏體轉(zhuǎn)變形成的，疑為未回火馬氏體或其他非馬氏體組織，導(dǎo)致這一現(xiàn)象的原因是殘留奧氏體量過(guò)多，回火不充分?？傊?，板條馬氏體比較粗大（見(jiàn)圖6），根據(jù)JB/T8420—1996《熱作模具鋼顯微組織評(píng)級(jí)》評(píng)定，馬氏體針標(biāo)準(zhǔn)級(jí)別為≥5級(jí)。

圖6 粗大的板條馬氏體+殘留奧氏體+碳化物（500×）

表1 外筒的化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 力學(xué)性能結(jié)果

6.綜合分析

綜上所述，外筒的化學(xué)成分各元素含量均滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求；工件的強(qiáng)度過(guò)高，而塑性、韌性過(guò)低，硬度較高；在顯微組織檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)了粗大的板條馬氏體和非回火馬氏體；斷口宏觀(guān)形貌顯示該外筒開(kāi)裂具有脆性開(kāi)裂特征。因此，該H13外筒開(kāi)裂的原因可以歸納為以下幾點(diǎn)：

（1）鍛造缺陷。由于萘狀斷口的產(chǎn)生，這是因?yàn)樵阱懺熘薪K鍛溫度過(guò)高形成的過(guò)熱現(xiàn)象，導(dǎo)致馬氏體粗大的原因之一。出現(xiàn)這種斷口，材料的力學(xué)性能差，并且沖擊韌度也明顯降低。

（2）回火不足。由于外筒回火兩次，組織中存在較多的殘留奧氏體，在不斷地轉(zhuǎn)變成馬氏體，所以一次、二次回火很難較大幅度地消除淬火后材料內(nèi)部殘余應(yīng)力。

（3）如果加熱溫度過(guò)高，或保溫時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，也是形成粗大板條狀馬氏體的原因，使硬度增高，脆性增大，因此存在較大的內(nèi)應(yīng)力。

7.預(yù)防措施

（1）改進(jìn)鍛造工藝，避免鍛造缺陷的產(chǎn)生。

（2）加強(qiáng)熱處理工藝的執(zhí)行，充分回火，細(xì)化晶粒，減少內(nèi)應(yīng)力。