S136鋼模具斷裂的原因

李文正, 董敏鵬, 蘇子寬, 李金龍

(1.中國科學院寧波材料技術與工程研究所 中國科學院海洋新材料與應用技術重點實驗室浙江省海洋材料與防護技術重點實驗室, 寧波 315201；2.中國科學院大學材料與光電研究中心, 北京 100049)

模具是制造業(yè)的基礎工藝裝備，也被稱為“制造業(yè)之母”。模具生產(chǎn)技術水平的高低，已成為衡量一個地區(qū)制造水平高低的重要標志[1]。目前，全世界模具市場規(guī)模超過1 000億美元，其中日本、德國、美國、意大利等發(fā)達國家憑借其先進的模具生產(chǎn)技術、卓越的設計能力和技藝精良的工人,在全球模具行業(yè)保持領先地位,我國模具制造業(yè)產(chǎn)值占全球的三分之一。S136模具鋼因其良好的耐蝕性、鏡面拋光性能與熱疲勞性能得到廣泛應用[2]。但是，熱處理工藝不合理會使S136鋼模具產(chǎn)生各種缺陷，從而在服役過程中產(chǎn)生斷裂失效[3]。本研究中的S136鋼模具是以壓鑄或鍛壓成型方法制造的，S136鋼模具在鍛造加工成型過程中出現(xiàn)開裂，針對斷口處進行了一系列理化檢驗，以避免該類問題的再次發(fā)生。

1 理化檢驗

1.1 化學成分分析

采用MAXx16-M型火花直讀光譜儀測定該失效S136鋼模具的化學成分，結果見表1。經(jīng)過查閱對比發(fā)現(xiàn)該鋼模具的化學成分符合S136鋼模具成分與一般S136鋼模具成分差異不大[4-5]。

表1 S136鋼模具的化學成分Tab.1 Chemical compositions of S136 steel die %

1.2 斷口分析

采用FEI Quanta FEG 250型掃描電鏡對該失效S136鋼模具斷口進行宏觀和微觀觀察。金屬零件的斷裂過程大概分為裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)態(tài)擴展及失穩(wěn)擴展三個階段[6-7]。分析模具斷裂的失效機制，判斷裂紋產(chǎn)生的位置最為關鍵。如圖1所示，該失效S136鋼模具的斷口凹凸不平，斷口表面未見明顯缺陷。進一步對圖1方框處斷口開裂源區(qū)域進行微觀形貌觀察。由圖2可知，斷口未見夾雜物和折疊等缺陷，斷口表面主要以韌窩形貌為主，有輕微的河流狀解理特征，韌窩內(nèi)存在大量顆粒狀碳化物，晶界處可見少量微裂紋。

圖1 S136鋼模具斷口的宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of S136 steel die fracture

圖2 S136鋼模具斷口的微觀形貌Fig.2 Micro morphology of fracture of S136 steel die:a) low magnification; b) high magnification

1.3 顯微組織觀察

在失效S136鋼模具斷口截取試樣，依次使用丙酮溶液與酒精溶液對試樣進行超聲清洗，以去除試樣表面的附著物，對試樣進行鑲嵌、拋光后，分別用由2.5 mL硝酸+45 mL酒精配制的硝酸酒精溶液和由25 mL乙醇+25 mL鹽酸+5 g氯化鐵配制的鹽酸氯化鐵對試樣進行擦拭腐蝕，采用Leica DM2500 M型金相顯微鏡對其表面進行觀察。

如圖3a)和圖3b)所示，其晶粒為等軸晶，晶粒尺寸為20～30 μm，晶粒內(nèi)部與晶界處均分布著碳化物顆粒，且晶界處的碳化物顆粒較多。硝酸酒精腐蝕性較弱，所以S136鋼模具的顯微組織形貌不夠清晰。如圖3c)和圖3d)所示，S136鋼模具的顯微組織主要為回火馬氏體[8]，在馬氏體晶粒內(nèi)部及周圍均可見大量白色碳化物顆粒，碳化物尺寸為0.5～3 μm。

圖3 S136模具鋼經(jīng)不同溶液腐蝕后的顯微組織Fig.3 Microstructure of S136 die steel after corrosion by different solutions:a)nitric alcohol, low magnification; b) nitric alcohol, high magnification; c) hydrochloric ferric chloride, low magnification;d) hydrochloric ferric chloride, high magnification

1.4 硬度測試

采用HR-150A型洛氏硬度儀，隨機在失效S136鋼模具表面選取六個位置進行硬度測試，其洛氏硬度分別為54.1，54.2，54.2，53.9，54.1，54.2 HRC，失效S136模具鋼的硬度較高，略大于S136模具鋼的正常硬度(52 HRC)。

采用MTS G200型納米壓痕儀，在S136鋼模具表面40×40 μm2區(qū)域內(nèi)、測試點按照20×20矩陣進行表面硬度測試,并繪制硬度分布圖，結果如圖5所示。由圖5可見，S136模具鋼的硬度為4～6 GPa，平均硬度約為5 GPa，碳化物所在區(qū)域硬度異常高，硬度約為11 GPa。

圖4 S136鋼模具的硬度分布圖Fig.4 Hardness map of S136 steel die

2 分析與討論

S136鋼模具的化學成分均符合一般要求。該失效模具用鋼的顯微組織為回火馬氏體，硬度約為54 HRC，組織中存在大量微米級碳化物。碳化物硬度約為11 GPa，基體硬度約為5 GPa，晶界位置碳化物分布較多，這弱化了晶界的強度，導致材料脆性增加。斷口分析表明：晶界位置可見少量微裂紋，這進一步驗證了碳化物弱化晶界，導致晶界處在外力作用下形成微裂紋。在S136鋼模具壓鑄或鍛壓成型過程中，模具受到外界載荷作用，碳化物分布較多的晶界因強度較低而產(chǎn)生微裂紋，裂紋進一步擴展導致模具整體開裂。綜合以上分析，S136鋼模具斷裂的原因是其晶界存在的大量碳化物，導致材料脆性增加。

3 結論

S136鋼模具斷裂的原因是其晶界處存在的大量碳化物，導致材料強度降低脆性增加，在外部載荷作用下萌生裂紋并擴展。