摘 要:某S136鋼模具在服役過程中產(chǎn)生斷裂失效。通過化學成分分析、斷口分析、顯微組織 觀察及硬度測試,分析了該S136鋼模具斷裂的原因。結果表明:S136鋼模具的斷口主要以韌窩形 貌為主,韌窩中可見大量顆粒狀碳化物,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,導致材料脆性增加。
關鍵詞:S136鋼模具;碳化物;斷裂
中圖分類號:TG157 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2021)11-0037-03
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1000億美元,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]。
1.2 斷口分析
采用FEIQuantaFEG250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。
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2.5mL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 的鹽酸氯化鐵對試樣進行擦拭腐蝕,采用 Leica DM2500M 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20~30μm,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 周圍均可見大量白色碳化物顆粒,碳化物尺寸為 0.5~3μm。
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, 54.2HRC,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~ 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。
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