陳立云，王德祥，徐 林，王 磊

(江蘇省鹽城市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇 鹽城 224056)

電液自由鍛錘錘頭開裂失效分析

陳立云，王德祥，徐 林，王 磊

(江蘇省鹽城市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所，江蘇 鹽城 224056)

應(yīng)用金相顯微鏡、掃描電鏡、拉力試驗(yàn)機(jī)、沖擊試驗(yàn)機(jī)、硬度計(jì)、光譜測試儀等通過宏觀檢查、尺寸檢查、斷口形貌分析、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、非金屬夾雜物評級、金相組織分析等方法對某電液自由鍛錘錘頭開裂現(xiàn)象進(jìn)行分析。分析結(jié)果表明錘頭發(fā)生開裂的裂紋起始于燕尾槽槽底的R角處，開裂初始部位斷口形貌顯示有應(yīng)力集中現(xiàn)象存在，錘頭的開裂主要呈脆性斷裂特征，裂紋擴(kuò)展存在休止跡象。

失效分析；非金屬夾雜物；金相組織；掃描電鏡

1 電液自由鍛錘錘頭開裂的基本情況

電液自由鍛錘屬于沖擊式機(jī)器。鍛錘工作過程中，錘頭所積蓄的動(dòng)能在打擊工件時(shí)瞬間釋放，錘頭的速度由原來的下行速度突然停止并產(chǎn)生一定的向上反彈的速度，使錘頭的動(dòng)量突然改變[1]。某廠使用的C66-120型電液自由鍛錘錘頭服役3年后發(fā)生開裂，在開裂位置附近取樣，如圖1所示。該錘頭圖紙規(guī)定材質(zhì)為45#鋼鍛件，粗加工后調(diào)質(zhì)處理，硬度為227～285HBW。失效分析常見的檢驗(yàn)方法有：斷口形貌分析、掃面電鏡分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相組織觀察、斷裂韌性試驗(yàn)等[2]。本文通過宏觀檢查、尺寸檢查、斷口形貌分析、化學(xué)成分分析、機(jī)械性能試驗(yàn)、非金屬夾雜物評級、金相組織分析方法對該電液自由鍛錘錘頭開裂現(xiàn)象進(jìn)行分析。

圖1 自由鍛錘錘頭(開裂部分)

2 實(shí)驗(yàn)研究

2.1宏觀檢查

宏觀檢查發(fā)現(xiàn)，開裂發(fā)生在自由鍛錘錘頭燕尾槽槽底與側(cè)面的R角(圖1中的右側(cè))，在另一側(cè)R角處未發(fā)現(xiàn)有裂紋存在，燕尾槽的側(cè)面存在較明顯的傷痕(如圖2～3所示)，從端面上觀察，開裂裂紋從R角開始擴(kuò)展(如圖4所示)，將裂紋打開后發(fā)現(xiàn)裂紋沿不同的面擴(kuò)展(如圖6～7所示)。

圖2 錘頭槽底R角(開裂部位)實(shí)物照

圖3 錘頭燕尾槽槽底R角開裂形貌

錘頭的設(shè)計(jì)圖紙要求燕尾槽槽底的寬度為280mm，槽深為90 mm，燕尾槽側(cè)面的斜度為6°，槽底與側(cè)面的R角半徑為10 mm，在開裂失效的錘頭上燕尾槽左側(cè)面的斜度大于7°，右側(cè)面的斜度在8°左右，燕尾槽槽底與側(cè)面各部位的R角半徑大小不一，大部分位置的R角半徑小于10mm(見表1)。

圖4 錘頭燕尾槽槽底截面上裂紋宏觀形貌4和5

圖5 開裂面宏觀形貌

圖6 燕尾槽槽底R角與開裂面的宏觀形貌

表1 開裂失效錘頭燕尾槽各部位的R角半徑

2.2斷口宏觀觀察

宏觀觀察裂面的形貌發(fā)現(xiàn)，裂紋從錘頭燕尾槽的R角開始擴(kuò)展，R角附近的斷口宏觀形貌顯示裂紋擴(kuò)展臺階特征(如圖6所示)，開裂面上存在裂紋擴(kuò)展休止線和放射弧線(如圖7，8所示)。

2.3斷口微觀形貌

掃描電鏡觀察發(fā)現(xiàn)，開裂起始于錘頭燕尾槽槽底的R角處，該處的斷口形貌存在裂紋擴(kuò)展臺階，開裂面的斷口形貌已遭損壞，呈現(xiàn)氧化腐蝕和磨損痕跡，部分區(qū)域有放射弧線存在(如圖9～14所示)。

2.4化學(xué)成分分析

采用直讀光譜儀對錘頭樣本進(jìn)行成分分析，結(jié)果表明錘頭的材質(zhì)與國產(chǎn)牌號40#鋼、45#鋼的成分標(biāo)準(zhǔn)相符合，數(shù)據(jù)見表2。

圖7 開裂面Ⅰ的宏觀形貌

圖8 開裂面Ⅱ的宏觀形貌

圖9 槽底R角附近斷口低倍形貌

圖11 裂紋擴(kuò)展區(qū)低倍形貌

圖10 R角附近斷口高倍形貌

圖12 裂紋擴(kuò)展區(qū)高倍形貌

圖13 裂面前端低倍形貌

圖14 裂面前端高倍形貌

表2 錘頭成分分析結(jié)果及40#鋼、45#鋼的成分標(biāo)準(zhǔn) %

2.5非金屬夾雜物評級

按照GB/T10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定標(biāo)準(zhǔn)評級圖顯微檢驗(yàn)法》[3]，對錘頭進(jìn)行非金屬夾雜物評級，結(jié)果見表3。

表3 錘頭非金屬夾雜物評級結(jié)果

2.6金相組織檢驗(yàn)

在錘頭燕尾槽槽底R角部位取樣，經(jīng)拋光處理后發(fā)現(xiàn)在R角上存在微裂紋(如圖15所示)，腐蝕處理后發(fā)現(xiàn)錘頭的金相組織為鐵素體+細(xì)珠光體(如圖16～18所示)。

圖15 R角微裂紋(50×)

2.7硬度檢測

對錘頭基體進(jìn)行硬度檢測，結(jié)果表明錘頭基體的硬度實(shí)測值為163～171HBW(見表4)，未達(dá)到設(shè)計(jì)圖紙要求。

圖16 縱向R角部位組織(50×)

圖17 縱向組織(500×)

圖18 橫向組織(500×)

表4 錘頭基體硬度實(shí)測值

2.8機(jī)械性能試驗(yàn)

在錘頭上取樣進(jìn)行拉伸試驗(yàn)和沖擊試驗(yàn)，結(jié)果見表5。

表5 錘頭機(jī)械性能試驗(yàn)結(jié)果

3 分析討論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，錘頭的成分與國產(chǎn)牌號40#鋼、45#鋼的成分標(biāo)準(zhǔn)相符合；錘頭基體硬度實(shí)測值為163～171HBW，與設(shè)計(jì)圖紙要求不符；錘頭非金屬夾雜物級別評為為D類粗系1.5級；錘頭基體的金相組織為鐵素體+細(xì)珠光體。

錘頭發(fā)生開裂的裂紋起始于燕尾槽槽底的R角處，開裂初始部位斷口形貌顯示有應(yīng)力集中現(xiàn)象存在，錘頭的開裂主要呈脆性斷裂特征，裂紋擴(kuò)展存在休止跡象。

開裂失效錘頭的燕尾槽槽底R角小于設(shè)計(jì)圖紙要求，承載時(shí)容易在R角部位形成應(yīng)力集中。錘頭的燕尾槽側(cè)面的斜度大于設(shè)計(jì)圖紙要求，可能會產(chǎn)生與配套構(gòu)件的裝配尺寸問題，造成燕尾槽兩側(cè)面受到額外載荷，增加R角部位所受的應(yīng)力。另外，錘頭材料的硬度小于設(shè)計(jì)圖紙要求，降低了錘頭的承載能力。

錘頭在服役過程中由于燕尾槽R角較小、側(cè)面的斜度較大，R角部位所承受的應(yīng)力作用增加，而材料本身的硬度低于設(shè)計(jì)要求，結(jié)果導(dǎo)致R角部位發(fā)生開裂，錘頭失效。

4 結(jié)束語

電液自由鍛錘錘頭開裂失效的主要原因是由于消應(yīng)力槽曲率半徑偏小和錘頭材料本身的硬度偏低。因此，在生產(chǎn)加工前要嚴(yán)把材料質(zhì)量關(guān)，對原材料的性能要復(fù)驗(yàn)，并在制造過程中要嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)文件規(guī)范進(jìn)行。

[1] 楊云.電液自由鍛錘的一種砧座隔振方法[J].鍛壓裝備與制造技術(shù),2012(4):31-34.

[2] 李鵬志.淺談金屬構(gòu)件失效分析方法[J].石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2013(4):33-35.

[3] 冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院冶金標(biāo)準(zhǔn)化研究所.金屬材料金相熱處理檢驗(yàn)方法標(biāo)準(zhǔn)匯編[M].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006.

TheFractureFailureAnalysisontheElectro-hydraulicFreeForgingHammer

CHEN Liyun, WANG Dexiang, XU Lin, WANG Lei

(Yancheng City Product Quality Supervision Institute, Jiangsu Yancheng, 224056, China)

Appling metallographic microscopy, scanning electron microscopy(SEM), tensile testing machine, impact testing machine, hardness tester and spectrometer, it analyzes the reasons of fracture of electro-hydraulic free forging hammer in dimension, fracture morphology, chemical composition, mechanical property, nonmetallic inclusions, and microstructure. The results show that hammer cracks starting at the R corner of bottom of the dovetail slot, and the initial parts of the fracture surface cracking in the presence of stress concentration. The hammer cracks characteristic illustrates the brittle fracture, and there are signs of rest in cracks.

Failure Analysis; Nonmetallic Inclusions; Microstructure; Scanning Electron Microscopy(SEM)

10.3969/j.issn.2095-509X.2014.08.020

2014-07-04

陳立云(1984—)，男，江蘇鹽城人，江蘇省鹽城市產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)所工程師，主要研究方向?yàn)闄C(jī)械產(chǎn)品失效分析。

TG141;TG151

A

2095-509X(2014)08-0081-05