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失效分析实例案例33Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢热锻模具淬火开裂原因分析1、背景某厂选用3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢制造热锻模具用于锻造25钢的齿状零件,模具加工成型后外部尺寸为500ｍｍ×250ｍｍ×115ｍｍ,模具质量为110ｋｇ。在同一模具上开出预锻和终锻两个型腔，加工时发现模具毛坯锻件硬度偏高,采用ＨＲ150型洛氏硬度计测试硬度为30ＨＲＣ。为便于加工,该厂将模具进行了一次降低硬度退火,但温度和时间已无纪录。加工后的模具由本厂进行热处理,淬火加热炉采用箱式电阻炉。为防止氧化,在模具周围填充旧渗碳剂加以保护。模具淬火时先采用500℃、850℃两次预热,后经1050℃×4ｈ保温,冷却介质选用Ｎ15号机油。淬火过程中听到模具开裂声音,随即停止冷却,并放在630℃回火炉中回火,回火时裂纹继续扩展使模具成为多个碎块。由于发现模具开裂,中止继续回火。2检验内容及结果
21原材料化学成分
分析在模具上取样,测定模具的化学成分(质量分数,%)如下:030Ｃ,82Ｗ,25Ｃｒ,035Ｖ,032Ｓｉ,030Ｍｎ,0032Ｓ,0028Ｐ。与ＧＢ1299—2000(合金工具钢)相比,符合标准。
22硬度测定
用ＨＲ150洛氏硬度试验机测定锻件的表面硬度为28～30ＨＲＣ,模具回火后的表层硬度为40～41ＨＲＣ,心部硬度为47～48ＨＲＣ。23断口形貌
(1)宏观检查模具横向多处断裂,裂纹特征有直裂纹、弯折裂纹和圆弧裂纹,
在模具碎块的横断面表层可观察到有约30ｍｍ细瓷状断口,见图2。断口内部有山脊状扩展形貌,放射线中心朝向模具心部,表明裂纹源形成于模具心部。心部为粗晶状断口,有十分明显的金属光泽。上述特征可以判定该模具的开裂是由心部脆性解理断裂引发的。(2)断口微观检查
用扫措电镜对细瓷状断口、粗晶状断口进行观察,结果见图3、4。
从粗晶状断口扫描电镜照片可以看到,断口中有明显的解理台阶,属穿晶解理断裂特征。2.4显微组织分析
在模具开裂处,对粗晶状断口、细瓷状断口截取试样,样品制备后,用4%硝酸酒精溶液短时轻微腐蚀,然后在金相显微镜下观察。尽管照片中组织不太清晰,可以观察到淬火前奥氏体晶粒分布情况,见图5。用奥氏体晶粒度评级标准[2]评定晶粒度等级为6级,粗晶状断口处的晶粒和组织粗大(图6),晶粒度等级为1级。观察还发现碳化物呈严重的带状分布,见图8。在细瓷状与粗晶状断口的衔接处存在大小晶粒不匀的现象。3讨论
文献[3,4]介绍3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢是一种压铸模具钢,该钢含有较多的钨和铬,具有较小的热膨胀系数和较好的耐蚀性。钨可以增加钢的耐热性,减少回火脆性和热处理变形。由于该钢的碳含量较低(025%～040%),使钢具有良好的导热性和足够的韧性。加入少量的钒可细化晶粒,提高耐磨性。3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢属于过共析钢,正常淬火组织应为较细的马氏体、残留奥氏体和少量的粒状碳化物。若淬火温度过高,则得到粗大马氏体。图4所示模具断口心部呈粗晶状断口形貌,有脆性解理断裂特征。
图6的金相组织表明,奥氏体晶粒粗大,马氏体粗大,属于明显的过热现象。但模具表层细瓷状断口(图2、3)和细小晶粒(图5),属于正常的淬火组织。分析认为:厂方在加工模具时,发现锻件的硬度偏高,曾经进行一次降低硬度退火,但退火保温时间不够,仅使表层重结晶细化,因此出现了表层的细晶粒和细瓷状断口。由于模具心部未热透,淬火加热出现组织遗传现象,形成粗大奥氏体晶粒,冷却时产生粗大马氏体。在模具心部受组织应力和热应力的双重作用,形成裂纹源,裂纹扩展导致表面开裂。模具横截面出现较多的横向裂纹、弯折裂纹和弧状裂状,这主要与锻造质量有关。碳化物带状分布说明锻造不充分,是造成弯折裂纹和弧状裂纹的主要原因,由宏观形貌和金相组织特征可以推断,锻造起始温度高,造成组织过热,提供锻件时未向用户说明,用户按正常温度淬火时出现开裂事故。案例4漳平电厂1号机叶片断裂失效分析1、背景漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为：拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运行。2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂的原因，我们开展了一系列的失效分析工作。2