家用不銹鋼刀具脆性斷裂失效分析

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(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

家用不銹鋼刀具脆性斷裂失效分析

袁周,李建三

(華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院, 廣州 510640)

采用宏觀檢驗、掃描電鏡分析、能譜分析、化學(xué)成分分析及金相檢驗等方法，對某一家用不銹鋼刀具在低應(yīng)力下發(fā)生脆性斷裂的原因進(jìn)行了分析。結(jié)果表明：刀具在熱處理前存在裂紋或針孔并且表面沾有油污，熱處理時發(fā)生了滲碳和氧化，加之刀具使用環(huán)境中存在腐蝕性介質(zhì)，從而導(dǎo)致刀具在使用過程中發(fā)生了低應(yīng)力脆性斷裂。

刀具; 低應(yīng)力脆性斷裂; 夾雜物; 殘余應(yīng)力; 腐蝕性介質(zhì)

中國是世界刀剪生產(chǎn)和出口的大國,刀剪行業(yè)是我國日用五金制品行業(yè)中的重點(diǎn)產(chǎn)品之一[1]。近年來，我國不銹鋼刀剪產(chǎn)業(yè)快速發(fā)展，刀剪的產(chǎn)量、品種、數(shù)量等均居世界首位，已成為全球重要的生產(chǎn)基地。雖然我國刀剪行業(yè)已經(jīng)取得了很大的進(jìn)步，但也存在著諸多的困難和問題，國產(chǎn)刀剪與進(jìn)口刀剪相比仍存在很大的差距，主要體現(xiàn)在耐磨性、使用壽命等方面。目前我國刀剪材料大都是通過感應(yīng)爐熔煉→爐外精煉→連鑄(或模鑄)→電渣重熔工藝生產(chǎn)[2]。制約我國刀剪行業(yè)發(fā)展、躋身世界名牌產(chǎn)品行業(yè)的瓶頸之一是刀剪產(chǎn)品原材料成分的精確控制[3]。熱處理技術(shù)是決定刀剪材料質(zhì)量的關(guān)鍵工序之一，國外企業(yè)刀剪材料熱處理后硬度均勻、韌性好。由于國內(nèi)生產(chǎn)刀剪材料的企業(yè)冶煉設(shè)備和技術(shù)落后，合金成分波動大，組織不均勻，造成熱處理淬火時的加熱參數(shù)控制困難，熱處理后材料硬度均勻性差。目前,我國對熱處理工藝參數(shù)如何影響刀剪性能(硬度、韌性、耐磨性、耐蝕性等)尚缺乏足夠的研究，僅僅停留在如何保證產(chǎn)品硬度這單一參數(shù)上。生產(chǎn)實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，不銹鋼熱處理工藝參數(shù)的選擇不僅決定了刀剪產(chǎn)品的硬度、耐用度和韌性，還決定了不銹鋼產(chǎn)品的耐腐蝕性能。

我國是鋼鐵生產(chǎn)大國，但是刀剪材料用鋼量少，與具有一定規(guī)模的鋼鐵企業(yè)的產(chǎn)鋼量相比差距較大；另外，生產(chǎn)刀剪原材料的工藝要求高，成本大，大型的鋼鐵企業(yè)不愿意投入過多的技術(shù)力量和資金進(jìn)行研發(fā)，致使刀剪原材料的開發(fā)研究一直處于癱瘓狀態(tài)[4]。某不銹鋼刀具在一次正常的切削水果中發(fā)生了低應(yīng)力脆性斷裂，該刀具材料為1Cr13不銹鋼，熱處理形式為固溶處理(800～900 ℃緩冷或750 ℃快冷)，使用時間為4 a(年)，主要用于家用切削。筆者從斷裂過程信息的承載體斷口入手[5]，對該刀具進(jìn)行了失效分析，進(jìn)而探討了存在的相關(guān)問題。

1 理化檢驗

1.1 宏觀檢驗

失效家用不銹鋼刀具斷裂形貌如圖1所示，可以看到右側(cè)刀柄和刀身已經(jīng)分離，同時右側(cè)斷裂件表面有銹蝕痕跡。

圖1 斷裂不銹鋼刀具宏觀形貌Fig.1 Macro morphology of the fractured stainless steel cutlery

刀具斷口表面無明顯塑性變形，如圖2所示，大部分呈銀白色金屬光澤，局部區(qū)域呈暗灰色(圖2標(biāo)注2所指部位)。

圖2 刀具斷口宏觀形貌Fig.2 Macro morphology of fracture surface of the cutlery

1.2 斷口微觀分析

圖3 暗灰色區(qū)域斷口SEM形貌Fig.3 SEM morphology of fracture of the dark area

用掃描電鏡(SEM)觀察刀具斷口微觀形貌。圖2中標(biāo)注2(暗灰色區(qū)域)和標(biāo)注4(亮色區(qū)域)所指部位的SEM形貌分別如圖3和圖4所示，可見斷口微觀形貌主要為沿晶，局部晶界處有顆粒狀析出相。由圖3可見，斷口內(nèi)部有許多裂紋且裂紋不連續(xù)；由圖4可見，斷口邊緣除冰糖狀沿晶形貌外，局部邊緣還有少許韌窩。由此可以判斷，裂紋是從刀具材料內(nèi)部產(chǎn)生的。

圖4 亮色區(qū)域斷口邊緣SEM形貌Fig.4 SEM morphology of fracture of the light area side

1.3 能譜分析

對圖2中標(biāo)注2(暗灰色區(qū)域)和標(biāo)注5(亮色區(qū)域)所指部位斷口進(jìn)行能譜(EDS)分析。由表1可見，斷口亮色區(qū)域含有鐵、鉻、碳等元素，而斷口暗灰色區(qū)域鐵元素含量明顯偏低，無碳元素，氧元素含量較高，同時還存在硅、鋁、鈦等元素。

表1 能譜分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.1 EDS analysis results (mass fraction) %

1.4 化學(xué)成分分析

使用直讀光譜儀對斷裂刀具進(jìn)行化學(xué)成分分析，結(jié)果如表2所示，由此可以判斷該刀具材料為1Cr13不銹鋼，相當(dāng)于ASTM A959-00a中的410不銹鋼，屬于馬氏體不銹鋼，其淬透性好，具有較高的硬度，較好的韌性、耐腐蝕性、熱強(qiáng)性及機(jī)械加工性能，廣泛應(yīng)用于刀具、閥門類產(chǎn)品[6]。

表2 失效刀具化學(xué)成分分析結(jié)果(質(zhì)量分?jǐn)?shù))Tab.2 Chemical composition analysis results of thefailure cutlery (mass fraction) %

1.5 金相檢驗

圖5 刀具表面顯微組織形貌(拋光態(tài))Fig.5 Microstructure morphology of the cutlery surface(polishing state)

圖6 刀具表面顯微組織形貌(侵蝕態(tài))Fig.6 Microstructure morphology of the cutlery surface(erosion state)

從圖1右側(cè)斷裂件取一部分，制成表面金相試樣，其顯微組織形貌如圖5和圖6所示，主要為馬氏體，同時可以看到在晶界處有少許析出物。對圖5中的黑色析出物進(jìn)行電子探針能譜分析，發(fā)現(xiàn)硅元素含量高達(dá)36.82%(質(zhì)量分?jǐn)?shù))，同時還含有氧、鋁、鉻、鐵等元素，由此判斷該黑色析出物為氧化物類夾雜。

2 分析與討論

由化學(xué)成分分析結(jié)果可以得知,斷裂失效刀具材料是美標(biāo)410馬氏體不銹鋼，斷口部位的化學(xué)成分完全不符合要求。白亮區(qū)域碳含量高出標(biāo)準(zhǔn)要求20倍以上；暗灰色區(qū)域則幾乎完全氧化。能譜分析結(jié)果表明，斷口局部存在元素的偏析以及腐蝕性元素的滲入；掃描電鏡分析結(jié)果顯示，斷口微觀形貌為沿晶，邊緣部位有少許韌窩,但斷口暗灰色區(qū)域的邊緣部位并無明顯韌窩出現(xiàn)，晶界明顯并且有圓球狀夾雜物，由此可以判斷裂紋起源于刀具內(nèi)部的暗黑色區(qū)域。

刀具是在正常切水果的過程中發(fā)生了低于其強(qiáng)度極限的脆性斷裂。這是因為試樣熱處理前存在裂紋或針孔缺陷，表面沾有油污，熱處理過程中發(fā)生了滲碳和氧化。通常殘余應(yīng)力會影響材料的耐應(yīng)力腐蝕能力[7]。所以造成刀具本身缺陷的原因可能是刀具材料馬氏體不銹鋼在熱處理過程中產(chǎn)生了很大的內(nèi)應(yīng)力(組織應(yīng)力和熱應(yīng)力)，比如在淬火過程中容易產(chǎn)生沿晶界斷裂的裂紋[8-9]；馬氏體中存有大量的缺陷，如位錯、空位等，均會產(chǎn)生大量的孔蝕源，容易形成蝕孔，蝕孔又可以作為裂紋源。同時刀具在長期的使用過程中會接觸到許多介質(zhì)，這些介質(zhì)中包括飲用水、大氣環(huán)境等，其中包含有腐蝕性元素氯等，腐蝕性介質(zhì)在刀具使用過程中會沿著刀具本身的缺陷處逐漸深入刀具內(nèi)部，由能譜分析結(jié)果可以看出局部區(qū)域氧元素含量很高、而鐵元素含量相對降低，表明氧元素大量地進(jìn)入材料并發(fā)生了氧化反應(yīng)，這就造成了材料晶界的弱化，所以刀具在低應(yīng)力下的切削水果過程中發(fā)生斷裂失效。

3 結(jié)論及建議

該家用不銹鋼刀具在熱處理前存在裂紋或針孔并且表面沾有油污，熱處理時發(fā)生滲碳和氧化，導(dǎo)致刀具發(fā)生了低應(yīng)力脆性斷裂。

由本次刀具的失效分析可以看出，該刀剪具材料在生產(chǎn)加工過程中存在了一些問題，目前國內(nèi)不少企業(yè)在熱處理時只要保證產(chǎn)品達(dá)到工藝規(guī)定的硬度要求即可，其他如碳化物溶解程度、顯微組織的好壞、回火充分程度等往往都被忽視，這也就造成了刀具內(nèi)部存在缺陷。所以在刀具生產(chǎn)過程中要盡量降低原材料夾雜物含量，注重?zé)崽幚砉に嚨目刂疲瑢Φ毒唢@微組織進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，同時可采用退火等手段消除刀具內(nèi)部的殘余應(yīng)力。

[1] 林加平,龐彩霞. 把握歷史機(jī)遇做大做強(qiáng)中國刀剪業(yè)——訪中國日用五金技術(shù)開發(fā)中心秘書長[N]. 經(jīng)濟(jì)日報,2002-05-27.

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[3] 姚迪. 刀剪用高碳馬氏體不銹鋼生產(chǎn)過程組織演變行為研究[D]. 北京:北京科技大學(xué),2016.

[4] 鄒振戊,常萬禎. 中國刀剪如何走向世界的探討[J]. 五金科技,2004,32(6):11-13.

[5] 王榮. 機(jī)械裝備的失效分析(續(xù)前) 第3講 斷口分析技術(shù)(上)[J]. 理化檢驗-物理分冊,2016,52(10):698-704.

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[9] 郭立波,李朋,高延慶. 鋼中白點(diǎn)的微觀形貌及其與夾雜物和偏析的關(guān)系[J]. 理化檢驗-物理分冊,2016,52(11):768-771,806.

FailureAnalysisonBrittleFractureofaStainlessSteelHouseholdCutlery

YUANZhou,LIJiansan

(School of Mechanical and Automotive Engineering, South China University of Technology, Guangzhou 510640, China)

The causes of brittle fracture of a stainless steel household cutlery under low stress were analyzed by macro examination, scanning electron microscope analysis, energy spectrum analysis, chemical composition analysis, metallographic examination and so on. The results show that there were cracks or pinholes and greasy or oil on the surface of the cutlery, and then carburization and oxidation happened during the heat treatment process. At the same time, there were corrosive media in the cutlery use environment. So low stress brittle fracture of the cutlery happened during use.

cutlery; low stress brittle fracture; inclusion; residual stress; corrosive medium

2016-12-13

袁 周(1994-)，男，碩士研究生，主要從事材料安全與失效分析研究,yuan340421@sina.cn

10.11973/lhjy-wl201712015

TG142.1+5

B

1001-4012(2017)12-0912-03