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1、失效分析实例案例3 328钢热锻模具淬火开裂原因分析 1 背景2检验内容及结果 2 1原材料化学成分2 2硬度测定2 3断口形貌 (1)宏观检查 (2)断口微观检查 2. 4显微组织分析3讨论4结论1、背景 某厂选用328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500250115,模具质量为110。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150型洛氏硬度计测试硬度为30。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
2、具淬火时先采用500、850两次预热,后经10504保温,冷却介质选用15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 2 1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:0 30,8 2,2 5,0 35,0 32,0 30,0 032,0 028。与12992000(合金工具钢)相比,符合标准。 2 2硬度测定用150洛氏硬度试验机测定锻件的表面硬度为2830,模具回火后的表层硬度为4041,心部硬度为4748。 2 3断口形貌(1)宏观检
3、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30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
4、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328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(0 25%0 40%),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。328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
5、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
6、,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。 4结论热锻模开裂的主要原因属于锻造组织存在严重缺陷,即粗大的奥氏体晶粒(锻造过热组织)和严重的碳化物带状分布,模具淬火前未经充分退火细化晶粒,从而造成正常温度淬火开裂。案例4 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析1、背景2 检查、试验宏观检查2.2 断口微观检查23化学成分24硬度测试25 冲击试验26 金相检查 3 分析4 结论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
7、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
8、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 检查、试验宏观检查检查发现丢落的19个叶片的断裂部位均位于叶片倒/形槽根部的横断面上（见图1）， 肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色，有锈斑。断口平坦并分成两个区，其中大面积区呈光滑状，小面积区呈纤维状，个别断口几乎全部呈光滑状。拆卸时发现叶片根部装配较松，极易取下。2。2 断口微观检查断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察，发现有典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源，疲劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维区，其中疲劳
9、源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹，这是疲劳断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段（见图3、4），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外，还能观察到裂纹的存在，且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区，则能观察到颗粒状脆性断裂特征（见图5）。断口开裂以穿晶断裂为主，无沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。这说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。 23化学成分 分析损坏叶片取样分析结果见表1。从表1可以看出，损坏叶片材料的化学成分合格。 24硬度测试 断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结
10、果见表2。表2表明，断裂叶片的硬度值略偏高，推测叶片材料的强度较高。 25 冲击试验 26 金相检查 选取断裂叶片根部侧面进行金相检查分析，首先对未浸蚀的试样表面进行检查，发现其中一个倒形槽的根部还存在微裂纹（微裂纹平直且走向平行于断口表面）。用氯化铁盐酸水溶液浸蚀试样表面后观察其金相组织为具有位向的回火索氏体（见图6），图7为带微裂纹处的金相照片，组织状态正常。 3 分析(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分合格，主要性能指标也基本正常。(2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征，裂纹扩展属穿晶走向。(3)叶片
11、根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安装时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是松配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部，根部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑移带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展，最终造成根部疲劳断裂。(4)断裂的19个叶片中，大部分断口都属于疲劳断口，这表明在叶片发生大面积断裂前，其根部已产生或大或小的疲劳裂纹，最后导致部分叶片先断裂，并引起其余叶片提前断裂。 4 结论漳平电厂1号机高压转子第+级叶片大面积断裂的主要原因是装配时叶片根部间隙偏大，在运行过程中叶片振动引起根部产生疲劳裂纹源，随着疲劳裂纹的不断扩展，最终导致叶片疲劳断裂。
