材料失效分析案例分析

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H13钢热锻模具早期失效分析
材料科学与工程1101
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背景
检验内容及结果 讨论 结论
背景
检验内容
①原材料化学成分 ②硬度测定 ③断口形貌 1)宏观检查 2)微观检查 ④显微组织分析
①原材料化学成分
从模具的裂纹源附近提取样品,用碳硫分析仪及等离子体光
谱仪进行模具材料的化学成分分析,结果如下:
测量位置 C Si Mn Cr Mo V P 模具基体 0.412 1.13 0.371 4.77 1.54 0.791 0.025 裂纹附近 0.483 1.21 0.365 4.75 1.5 0.452 0.025 标准值(GB/T 1299—2000) 0.32~0.45 0.80~1.20 0.20~0.50 4.75~5.50 1.10~1.75 0.80~1.20 ≤0.03
a) 纵截面
b) 横截面
讨论
从合金元素的分析结果来看,H13模具钢中Si含量偏高而
V含量偏低。由于汽车曲轴的锻造过程中,模具温度可能远
超过500 ℃,过高的Si含量将促进回火过程中晶间碳化物粗 化,恶化钢的抗热疲劳性能。因此,这是造成H13模具早期 失效的重要原因之一。
由失效模具微观形貌可知,该模具钢的锻后退火态存在大 块不均匀组织,可以推断,这是由于模具钢的锻造及预备热
平均值 45.5
试样编号 冲击韧度值( J/cm2 )
1 5.05
2 3.75
3 5
4 4.75
5 5.25
平均值 4.76
③断口宏观形貌
模具的断裂失效部位形貌如图所示。
模具型腔未发现热磨损痕迹,没有明显
塑性变形发生,未发现龟裂,也未发现 加工刀痕的痕迹,失效模具呈现两条相
交的宏观裂纹,呈“T”字型,其中一
金元素含量相比,其裂纹源附近的V含量偏低,而Si含量偏
高。无论是锻后退火态,或者是最终热处理态的模具钢中都 存在带状组织和块状组织,表明该模具钢中的化学成分和显
微组织不均匀,致使模具的力学性能尤其是冲击韧度降低,
是造成模具早期失效的主要原因。
谢谢!
处理( 球化退火) 不良所致,这也是造成该模具失效的最重要
原因。
该失效模具宏观上以劈裂的形式断开,断口呈现明显的人
字条纹及放射线花样,表明裂纹的扩展是不稳定的、快速的;
微观上可见解理台阶和解理扇形花样,具有解理断裂的典型 特征。由此判断其失效形式为脆性断裂,失效机制为解理断 裂。
结论
汽车曲轴热锻模具所用H13钢化学成分与标准中规定的合
条横向贯穿模具。根据裂纹的位置和方 向,可以判断横穿整个模具的较长的一
条裂纹最先形成,阻止了较短一条裂纹
向前扩展,故较长的为主裂纹,较短的 为次裂纹。
断口微观形貌
从图中解理台阶及解理扇形花样可以判断该失效模具钢的
断裂机源自文库为解理断裂。
④失效模具微观形貌
对失效模具切割、取样,进行金相制样,用4%硝酸酒精 腐蚀后观察其显微组织如图,从图中可看出失效模具钢中存 在块状的不均匀组织。
S 0.005 0.013 ≤ 0. 03
与标准规定的化学成分相比,模具的化学成分中V 含量低于
标准含量的下限成分,而Si含量处于标准含量的上限。
②硬度检测
测量部位 裂纹附近 模具芯部 模具表面 硬度值/HRC 45 45.5 45.5
由表可得,模具钢各部位的硬度基本均匀一致。 取部分失效模具试样进行冲击试验,不同试样的平均冲击韧度α KV 仅为4. 76 J /cm2,远低于常规H13 钢在室温时冲击韧度( 一般应达到 25 ~35 J /cm2 )
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