芯棒斷裂失效分析

■天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 王 剛，胡志光，王 鵬，邵紅霞

芯棒斷裂失效分析

■天津賽瑞機(jī)器設(shè)備有限公司 王 剛，胡志光，王 鵬，邵紅霞

芯棒是軋制無(wú)縫鋼管的一個(gè)變形工具，目前國(guó)內(nèi)外均采用H13鋼作為芯棒材料，H13是由美國(guó)開(kāi)發(fā)的熱作模具鋼材料，因具有較高熱強(qiáng)性、抗熱疲勞性能及抗熱振性，而得到廣泛應(yīng)用。對(duì)芯棒斷裂原因進(jìn)行了分析。

芯棒在上線軋制無(wú)縫鋼管僅700余支就在尾部外螺紋處發(fā)生橫向斷裂事故。該芯棒使用的原材料為電渣鋼，材質(zhì)為H13（4Cr5MoSiV1），表面硬度要求范圍為310~380HBW，抗拉強(qiáng)度要求為Rm≥1050MPa，沖擊吸收能量要求為KV2≥20J。為查明芯棒早期斷裂失效原因，提出改進(jìn)措施，將斷裂芯棒解剖進(jìn)行綜合分析。

1. 斷口宏觀觀察

將芯棒在斷裂處按圖1進(jìn)行鋸切，斷口處宏觀形貌見(jiàn)圖2。

從芯棒斷口宏觀形貌可看出，裂紋源位于螺紋根部一側(cè)，以放射狀快速擴(kuò)展，斷口平齊無(wú)塑性變形，為典型的脆性斷裂。在開(kāi)裂區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)部位各取一塊試樣進(jìn)行綜合分析。

2. 分析結(jié)果

（1）化學(xué)成分分析 在1/2半徑處切取試樣進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果見(jiàn)表1。從分析結(jié)果中可以看出，各主要元素含量均符合技術(shù)要求。

（2）性能和硬度檢驗(yàn) 經(jīng)取樣對(duì)性能和硬度進(jìn)行檢驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果顯示所有檢驗(yàn)項(xiàng)目均符合技術(shù)要求。

（3）電鏡分析 將兩個(gè)斷口試樣反復(fù)清洗后入電鏡樣品室進(jìn)行觀察：裂紋源位于一側(cè)螺紋根部，裂紋源部位無(wú)夾雜物偏聚等其他缺陷，裂紋源部位斷口低倍形貌如圖3所示。放大觀察：裂紋源表面有一深度約0.1mm氧化層，這個(gè)區(qū)域?yàn)樽钤玳_(kāi)裂區(qū)，局部放大形貌照片如圖4、圖5所示。裂紋擴(kuò)展區(qū)形貌為穿晶準(zhǔn)解理，局部放大形貌如圖6所示。裂紋源區(qū)斷口局部有塊狀物，局部放大形貌如圖7所示，經(jīng)能譜分析塊狀物是（VCrMo）C，結(jié)果如圖8譜線所示。

圖1 鋸切位置示意

圖2 斷裂芯棒脆性斷口和開(kāi)裂部位斷口宏觀形貌

圖3 裂紋源部位及裂紋擴(kuò)展區(qū)（10×）

圖4 表面氧化層和擴(kuò)展區(qū)脆性斷口（150×）

表1 化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

（4）金相分析 開(kāi)裂源部位所取試樣橫向觀察：試樣橫截面表面部位有明顯網(wǎng)狀偏析特征，局部低倍形貌見(jiàn)圖9，開(kāi)裂源部位組織為回火索氏體，偏析區(qū)中有塊狀液析碳化物，局部放大形貌見(jiàn)圖10。

開(kāi)裂源部位和1/2半徑部位所取試樣縱向觀察：1/2半徑部位帶狀偏析比表面部位嚴(yán)重，1/2半徑部位偏析組織局部低倍形貌見(jiàn)圖11，偏析帶中有塊狀碳化物，局部放大形貌見(jiàn)圖12。1/2半徑部位液析比表面部位液析嚴(yán)重，表面部位液析組織局部放大形貌見(jiàn)圖13，1/2半徑部位液析組織局部放大形貌見(jiàn)圖14。

兩個(gè)試樣的金相分析結(jié)果見(jiàn)表2和表3。

3. 試驗(yàn)總結(jié)

斷裂芯棒裂紋源位于螺紋根部的一側(cè)，以放射狀快速擴(kuò)展，斷口平齊無(wú)塑性變形，為典型脆性斷裂。開(kāi)裂源部位斷口表面有深度約為0.1mm氧化層，從氧化程度判斷該部位開(kāi)裂較早，已無(wú)法觀察到斷口的原始形貌特征，該部位為應(yīng)力集中裂紋源。裂紋擴(kuò)展區(qū)斷口形貌為準(zhǔn)解理特征。裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)組織均為回火索氏體+碳化物，晶粒度為8.5級(jí)，夾雜物無(wú)超標(biāo)現(xiàn)象。裂紋源區(qū)和裂紋擴(kuò)展區(qū)均存在明顯的成分偏析和液析現(xiàn)象，裂紋擴(kuò)展區(qū)（1/2半徑部位）比表面開(kāi)裂源部位明顯嚴(yán)重。偏析區(qū)中液析塊狀物是（VCrMo）C。夾雜物和一次碳化物的評(píng)級(jí)，屬于標(biāo)準(zhǔn)中可接受的范圍內(nèi)。

圖5 表面氧化層斷口（2000×）

圖6 試樣裂紋擴(kuò)展區(qū)準(zhǔn)解理斷口（1500×）

圖7 塊狀碳化物（3000×）

圖8 斷口中塊狀碳化物能譜分析

圖9 網(wǎng)狀偏析組織局部低倍形貌（25×）

圖10 偏析組織S回及液析碳化物（500×）

表2 組織和晶粒度分析結(jié)果

表3 夾雜物分析結(jié)果

4. 結(jié)論和建議

（1）芯棒在螺紋根部開(kāi)裂，其主要原因是芯棒在吊運(yùn)或使用過(guò)程中受到反復(fù)切向沖擊力，螺紋根部是整支芯棒受力最薄弱處，并且沖擊力大于芯棒在螺紋根部處的承受能力。

（2）芯棒斷裂的次要原因?yàn)樾景舨馁|(zhì)存在成分偏析和液析現(xiàn)象，需對(duì)國(guó)產(chǎn)鋼材質(zhì)量進(jìn)行提升。

（3）螺紋根部尤其是螺紋根部后角處的圓角極小，是整支芯棒受力時(shí)的最薄弱處。因此，建議芯棒的螺紋根部圓角加大至R8mm。

（4）建議將芯棒的螺紋改為內(nèi)螺紋，除了防止斷裂外，內(nèi)螺紋芯棒還有以下幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)：①芯棒的性能檢驗(yàn)是在1/2半徑處進(jìn)行的，1/2半徑外的材料性能優(yōu)于1/2半徑內(nèi)的材料性能，這就提高了螺紋處的性能及使用壽命。②如果使用過(guò)程中出現(xiàn)問(wèn)題，損壞的是連接桿的螺紋，從而保住了成本極高的芯棒工作段。③在芯棒工作段除螺紋外的長(zhǎng)度一定的情況下，減少了芯棒工作段的重量，從而節(jié)約了生產(chǎn)芯棒工作段的成本。

圖11 帶狀偏析組織局部低倍形貌（50×）

圖12 帶狀偏析組織及碳化物（500×）

圖13 液析組織局部放大形貌（100×）

圖14 液析組織局部放大形貌（100×）

[1] 蔡美良，丁惠麟，孟滬龍. 新編工模具鋼金相熱處理[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1998.

[2] 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜編委會(huì). 大型鑄鍛件缺陷分析圖譜[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

[3] 亨利G. 宏觀斷口與顯微斷口學(xué)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1980.

20150708