金相檢驗技術(shù)6

1、圖13-8 淬火裂紋的特征一、淬火裂紋（一）淬火裂紋的類型和特征a、縱向裂紋b、橫向裂紋c、表面裂紋d、剝離裂紋圖13-9淬火裂紋（200）一、淬火裂紋二、回火脆性 （二）淬火裂紋的形成機理包括第一類回火脆性和第二類回火脆性,以及回火裂紋(淬火鋼在回火是由于快速加熱或快速冷卻時發(fā)生裂紋)。三、淬火變形零件淬火時尺寸或者形狀發(fā)生變化稱為淬火變形。淬火變形有尺寸變化和形狀變化兩種。引起尺寸變化的主要原因是由于相變引起的膨脹和收縮。引起形狀變化的原因主要是鋼的內(nèi)應(yīng)力或者外應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力主要是加熱或者冷卻時溫度分布不均和相變以及零件內(nèi)部的殘余應(yīng)力引起的。外應(yīng)力主要包括零件的自重、以及鋼件的相互碰撞和工具

2、的夾持等原因。四、其他缺陷淬火后的零件的組織是馬氏體+殘余奧氏體，常溫下殘余奧氏體不斷轉(zhuǎn)變?yōu)轳R氏體，發(fā)生體積膨脹，因此淬火后的零件不加處理放在常溫下，會發(fā)生開裂，稱為自生裂紋。1、自生裂紋2、磨削燒傷熱處理零件在經(jīng)過磨削時切削區(qū)域的溫度高達4001500，引起零件表面組織、顯微硬度、殘余應(yīng)力、力學(xué)性能等的變化。四、其他缺陷圖13-10磨削裂紋3、磨削裂紋分為第一種磨削裂紋和第二種磨削裂紋，如圖13-10所示。原因是淬火后的零件中馬氏體組織處于膨脹狀態(tài)，磨削時溫度達到100時發(fā)生第一次收縮，而鋼的內(nèi)部仍然處于膨脹狀態(tài)，鋼的表面受張應(yīng)力而發(fā)生龜裂，形成第一種磨削裂紋（可在100200回火避免）。當(dāng)

3、磨削過度、切削量過大時，零件表面溫度高達300時發(fā)生第二次收縮，形成第二種磨削裂紋（可在300回火避免，但要防止回火脆性）。四、其他缺陷4、淬火軟點 淬火時，零件局部區(qū)域冷速過慢造成局部未淬硬的部位稱為淬火軟點。5、淬而不硬 零件由于奧氏體化溫度不充分、冷卻速度不夠或者混料造成。圖5-12 釬桿斷裂宏觀形貌六角小釬桿廣泛應(yīng)用于礦山鑿巖。其幾何形狀一般為長2.2m，截面中空（6孔）六角形，兩平行對邊寬22，屬于細長類桿件。工作狀況為每分鐘受2000次，700kPa軸向沖擊力和200r/min彎曲-扭轉(zhuǎn)力的作用，內(nèi)空通300kPa循環(huán)水冷卻，外表受鑿巖泥漿的沖刷磨損作用。材料采用55SiMnMo，

4、熱處理工藝為900奧氏體化30min后空冷，冷速為80/min。設(shè)計壽命為每根150m?，F(xiàn)有三根釬桿斷裂，壽命只有50m左右。中間一根斷在中部，斷裂源位于外表面，如箭頭A所示；其余兩根斷在釬肩處（鍛造成直徑40圓盤），斷裂源位于內(nèi)空表面。斷裂后由于礦水作用，表面均有不同程度的銹蝕。試分析其原因。圖5-12 釬桿斷裂宏觀形貌圖5-13 釬桿內(nèi)表面的宏觀裂紋一、變形失效 圖3-5 集熱管蠕變變形及脹裂在室溫下的變形失效主要有彈性變形失效和塑性變形失效。高溫下的變形失效主要有蠕變失效和高溫松弛失效。 二、斷裂失效 斷裂是指金屬構(gòu)件在應(yīng)力作用下分離為互不相連的兩個或者兩個以上部分的現(xiàn)象。構(gòu)件內(nèi)部的裂紋

5、也屬于材料斷裂的范疇。 斷裂失效按照斷裂前變形程度分為塑性斷裂和脆性斷裂，按照斷裂機制分為解理斷裂、韌窩斷裂、疲勞斷裂、蠕變斷裂和結(jié)合力弱化斷裂。二、斷裂失效 （一）塑性斷裂宏觀圖3-10 光滑圓棒韌性斷口宏觀形貌典型宏觀特征為杯錐狀斷口，杯部為纖維狀特征，錐部為淺灰色的光滑區(qū)，并與杯部呈45度角。二、斷裂失效 （一）塑性斷裂微觀圖14-2 等軸韌窩（1200）拉伸韌窩二、斷裂失效 （二）脆性斷裂按照裂紋的擴展路徑可分為穿晶脆性斷裂和沿晶脆性斷裂。1、解理斷裂 屬于穿晶斷裂。最主要特征是河流狀花樣。如圖14-3所示。圖14-3 解理斷口河流花樣原因： 1）構(gòu)件存在應(yīng)力集中部位，如表面缺口、裂紋

6、、幾何形狀的突變等等。2）有一定的應(yīng)力集中，如熱處理后的殘余應(yīng)力，沖擊應(yīng)力等。3）低溫脆性等。二、斷裂失效 （二）脆性斷裂2、準(zhǔn)解理斷裂 宏觀形貌具有細小的放射狀條紋或?qū)哟螤睿⒂^特征也有河流狀花樣，但河流短而不連續(xù)，并能觀察到較多的撕裂嶺，如圖14-4所示。經(jīng)常在淬火及隨后的回火的馬氏體組織中出現(xiàn)。 圖14-4 準(zhǔn)解理斷裂（600）二、斷裂失效 （二）脆性斷裂3、沿晶脆性斷裂 最主要特征是在宏觀上呈顆粒狀，微觀形貌呈冰糖狀。如圖14-5所示。圖14-5沿晶斷裂形貌（300）原因： 1）由晶界的夾雜和第二相沉淀引起的晶界弱化，沿晶斷裂；2）雜質(zhì)元素如Si、Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、

7、S、Se、Te等在晶界的偏聚造成沿晶斷裂；3）環(huán)境介質(zhì)侵蝕如鋼的氫脆、應(yīng)力腐蝕引起的斷裂；4）高溫下的沿晶斷裂等。機械零件在循環(huán)交變應(yīng)力作用下引起的斷裂稱為疲勞斷裂。在機械零件的斷裂失效中，疲勞斷裂占到了70%以上。二、斷裂失效 （三）疲勞斷裂圖3-32 疲勞斷口宏觀形貌微觀特征：二、斷裂失效 （三）疲勞斷裂1)貝紋 類似于貝殼狀條紋，貝紋圓弧所包圍的區(qū)域指向了斷裂源區(qū)。2) 疲勞輝紋 一系列基本平行的條紋，略帶彎曲，呈波浪狀 圖3-36 不同材料疲勞斷口的疲勞輝紋a）20g TEM 5000b）鋁合金 TEM 5000微觀特征：二、斷裂失效 （三）疲勞斷裂3）輪胎狀花樣 類似于汽車輪胎走過泥

8、地時的痕跡。圖3-41 疲勞斷口上的輪胎狀花樣a）不銹鋼氣閥斷口 TEM 50000b）2Cr13疲勞斷口 TEM 12000三、腐蝕失效金屬與其表面接觸的介質(zhì)發(fā)生反應(yīng)而造成的損壞稱為腐蝕。 圖3-49 各種腐蝕形態(tài)示意圖四、磨損失效 相互接觸并作相對運動的物體，由于機械作用所造成的材料位移及分離的破壞形式成為磨損失效。常見形式為粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞磨損和微動磨損等。五、失效分析的思路1、以整體原則為思路的分析方法2、以設(shè)備制造全過程為系統(tǒng)的思路3、根據(jù)失效類型和失效模式（機理）分析的思路4、根據(jù)構(gòu)件服役條件分析的思路。 圖5-12 釬桿的疲勞斷裂宏觀形貌圖5-13 釬桿內(nèi)表面的宏觀疲

9、勞裂紋圖5-12 釬桿的疲勞斷裂宏觀形貌圖5-13 釬桿內(nèi)表面的宏觀疲勞裂紋這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：1）分析構(gòu)件的工況；工作狀況為每分鐘受2000次，700kPa軸向沖擊力和200r/min彎曲-扭轉(zhuǎn)力的作用，內(nèi)空通300kPa循環(huán)水冷卻，外表受鑿巖泥漿的沖刷磨損作用。圖5-14 55SiMnMo金相組織 7502）測試分析：55SiMnMo，熱處理工藝為900奧氏體化30min后空冷，冷速為80/min。其金相組織為70%90%的無碳上貝氏體，上貝氏體中含有35%左右的奧氏體，其余為鐵素體；30%

10、10%為塊狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：2）測試分析：對失效釬桿橫截面磨制金相，發(fā)現(xiàn)裂紋沿著塊狀復(fù)合結(jié)構(gòu)的邊緣擴展，而不易穿過塊狀復(fù)合結(jié)構(gòu)。 圖5-15 失效釬桿橫截面金相 1000這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：這種釬桿的失效，應(yīng)當(dāng)屬于疲勞斷裂失效。下面看專家的分析過程：2）測試分析：材料硬度值為HRC3337。 SEM下觀察發(fā)現(xiàn)在圖5-12中間那個釬桿斷口箭頭A所指出，在材料亞表面有一孔洞，裂紋指向兩端。經(jīng)過能譜檢測，發(fā)現(xiàn)在空洞內(nèi)還殘留有Ca元素，這應(yīng)該是原來夾

11、雜物所在的孔洞。如圖5-16所示。 圖5-16 夾雜物處的孔洞6503）結(jié)論奧氏體和塊狀復(fù)合物都是阻止裂紋擴展的因素。根據(jù)此觀點，提高奧氏體和塊狀復(fù)合物的百分數(shù)都有利于提高釬桿壽命。但是兩者是矛盾的。經(jīng)過實踐證明，控制釬桿中塊狀復(fù)合物含量在20%30%，保證硬度在HRC3337，壽命最長。減少夾雜物，鈍化鋼材可以有效提高釬桿壽命。圖5-20 曲軸及斷裂部位圖5-21 斷口宏觀形貌 0.11345失效分析過程失效分析過程1）工況分析：曲軸彎臂處受彎曲、剪切、扭轉(zhuǎn)交變應(yīng)力。2）測試分析：金相檢驗：曲軸材料按照35CrMo牌號。在調(diào)質(zhì)處理后組織為回火索氏體組織。我們首先在斷裂R處取一試樣，制成金相試

12、樣檢驗。圖5-22 R處的金相組織 1200發(fā)現(xiàn)組織為珠光體+鐵素體，P和F各占50%，并有沿晶分布的網(wǎng)狀碳化物。如圖5-22所示。這說明R處未經(jīng)過調(diào)質(zhì)處理。2）測試分析：SEM分析：我們?nèi)D5-21中箭頭1所指斷裂源作SEM觀察，發(fā)現(xiàn)在距離表面150m處在一尖角孔洞內(nèi)存在夾雜物，裂紋沿孔洞尖角線外擴展。通過能譜分析表明是一堆Si、Ca、S、P等形成的復(fù)合夾雜物。圖5-23 材質(zhì)內(nèi)部缺陷（13）圖5-21 斷口宏觀形貌 0.113452）測試分析：拉伸斷口有肉眼可見的魚眼狀白亮區(qū)，稱為魚眼斷口。如圖5-24所示。這是材料中含氫量較高的表現(xiàn)。在白亮區(qū)域的微觀形貌為細密的解理條紋，如圖5-25所示。圖5-24 拉伸試樣斷口的宏觀形貌 4圖5-25 魚眼斷口的微觀形貌 5002）測試分析： 在圖5-24中箭頭E所示區(qū)域為木紋狀斷口。放大后發(fā)現(xiàn)，木紋排列方向性很明顯，在木紋區(qū)間有許多夾雜物，能譜表明為硫化物，如圖5-26所示。圖5-24 拉伸試樣斷口的宏觀形貌 4圖5-26 木紋斷口的微觀形貌 2103）結(jié)論：曲軸斷裂屬于彎曲疲勞斷裂。斷裂失效的根本原因是材質(zhì)的熱處理不良，未能進行很好的調(diào)質(zhì)處理。