摘 要:某S136鋼模具在服役過(guò)程中產(chǎn)生斷裂失效。通過(guò)化學(xué)成分分析、斷口分析、顯微組織 觀(guān)察及硬度測(cè)試,分析了該S136鋼模具斷裂的原因。結(jié)果表明:S136鋼模具的斷口主要以韌窩形 貌為主,韌窩中可見(jiàn)大量顆粒狀碳化物,晶界位置出現(xiàn)少量微裂紋;S136鋼模具的顯微組織為回火 馬氏體,晶界處分布著大量微米級(jí)碳化物顆粒;碳化物硬度約為11GPa,基體硬度約為5GPa;綜 合分析表明,S136鋼模具斷裂的原因是其晶界處存在的大量碳化物,導(dǎo)致材料脆性增加。
關(guān)鍵詞:S136鋼模具;碳化物;斷裂
中圖分類(lèi)號(hào):TG157 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):1001-4012(2021)11-0037-03
模具是制造業(yè)的基礎(chǔ)工藝裝備,也被稱(chēng)為“制 造業(yè)之母”。模具生產(chǎn)技術(shù)水平的高低,已成為衡 量一個(gè)地區(qū)制造水平高低的重要標(biāo)志[1]。目前, 全世界模具市場(chǎng)規(guī)模超過(guò)1000億美元,其中日 本、德國(guó)、美國(guó)、意大利等發(fā)達(dá)國(guó)家憑借其先進(jìn)的 模具生產(chǎn)技術(shù)、卓越的設(shè)計(jì)能力和技藝精良的工 人,在全球模具行業(yè)保持領(lǐng)先地位,我國(guó)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(yīng)用[2]。但是,熱處理工藝不合理會(huì)使S136鋼模 具產(chǎn)生各種缺陷,從而在服役過(guò)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(guò) 程中出現(xiàn)開(kāi)裂,針對(duì)斷口處進(jìn)行了一系列理化檢 驗(yàn),以避免該類(lèi)問(wèn)題的再次發(fā)生。
1 理化檢驗(yàn)
1.1 化學(xué)成分分析
采用 MAXx16-M 型火花直讀光譜儀測(cè)定該失 效S136鋼模具的化學(xué)成分,結(jié)果見(jiàn)表1。經(jīng)過(guò)查閱 對(duì)比發(fā)現(xiàn)該鋼模具的化學(xué)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]。
1.2 斷口分析
采用FEIQuantaFEG250型掃描電鏡對(duì)該失 效S136鋼模具斷口進(jìn)行宏觀(guān)和微觀(guān)觀(guān)察。金屬零 件的斷裂過(guò)程大概分為裂紋萌生、裂紋亞穩(wěn)態(tài)擴(kuò)展 及失穩(wěn)擴(kuò)展三個(gè)階段[6-7]。分析模具斷裂的失效機(jī) 制,判斷裂紋產(chǎn)生的位置最為關(guān)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(jiàn) 明顯缺陷。進(jìn)一步對(duì)圖1方框處斷口開(kāi)裂源區(qū)域進(jìn) 行微觀(guān)形貌觀(guān)察。由圖2可知,斷口未見(jiàn)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(jiàn)少量微裂紋。
1.3 顯微組織觀(guān)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(duì)試樣進(jìn)行超聲清洗,以去除 試樣表面的附著物,對(duì)試樣進(jìn)行鑲嵌、拋光后,分別 用由2.5mL硝酸+45mL酒精配制的硝酸酒精溶 液和由25mL乙醇+25mL鹽酸+5g氯化鐵配制 的鹽酸氯化鐵對(duì)試樣進(jìn)行擦拭腐蝕,采用 Leica DM2500M 型金相顯微鏡對(duì)其表面進(jìn)行觀(guān)察。
如圖3a)和圖3b)所示,其晶粒為等軸晶,晶粒 尺寸為20~30μm,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?chē)梢?jiàn)大量白色碳化物顆粒,碳化物尺寸為 0.5~3μm。
1.4 硬度測(cè)試
采用 HR-150A 型洛氏硬度儀,隨機(jī)在 失 效 S136鋼模具表面選取六個(gè)位置進(jìn)行硬度測(cè)試,其洛 氏 硬 度 分 別 為 54.1,54.2,54.2,53.9,54.1, 54.2HRC,失效 S136模具鋼的硬度較高,略大于 S136模具鋼的正常硬度(52HRC)。
采用 MTSG200型納米壓痕儀,在S136鋼模 具表面40×40μm2 區(qū)域內(nèi)、測(cè)試點(diǎn)按照20×20矩 陣進(jìn)行表面硬度測(cè)試,并繪制硬度分布圖,結(jié)果如圖 5所示。由圖5可見(jiàn),S136模具鋼的硬度為4~ 6GPa,平均硬度約為5GPa,碳化物所在區(qū)域硬度 異常高,硬度約為11GPa。
2 分析與討論
S136鋼模具的化學(xué)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 54HRC,組織中存在大量微米級(jí)碳化物。碳化物 硬度約為11GPa,基體硬度約為5GPa,晶界位置碳化物分布較多,這弱化了晶界的強(qiáng)度,導(dǎo)致材料脆 性增加。斷口分析表明:晶界位置可見(jiàn)少量微裂紋, 這進(jìn)一步驗(yàn)證了碳化物弱化晶界,導(dǎo)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(guò)程中,模具受到外界載荷作用,碳化物分布較 多的晶界因強(qiáng)度較低而產(chǎn)生微裂紋,裂紋進(jìn)一步擴(kuò) 展導(dǎo)致模具整體開(kāi)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(dǎo)致材料 脆性增加。
3 結(jié)論
S136鋼模具斷裂的原因是其晶界處存在的大 量碳化物,導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低脆性增加,在外部載荷 作用下萌生裂紋并擴(kuò)展。
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