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失效分析实例案例3 3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢热锻模具淬火开裂原因分析 1 背景2 检验内容及结果2 1 原材料化学成分2 2 硬度测定2 3 断口形貌(1)宏观检查(2)断口微观检查2. 4 显微组织分析3 讨论4 结论1、背景 某厂选用3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢制造热锻模具用于锻造 25钢的齿状零件,模具加工成型后外部尺寸为500ｍｍ ×250ｍｍ×115ｍｍ,模具质量为110ｋｇ在同一模具上 开出预锻和终锻两个型腔，加工时发现模具毛坯锻件硬 度偏高,采用ＨＲ150型洛氏硬度计测试硬度为30ＨＲＣ 为便于加工,该厂将模具进行了一次降低硬度退火,但温度 和时间已无纪录加工后的模具由本厂进行热处理,淬火 加热炉采用箱式电阻炉为防止氧化,在模具周围填充旧 渗碳剂加以保护模具淬火时先采用500℃、850℃两次 预热,后经1050℃×4ｈ保温,冷却介质选用Ｎ15号机油 淬火过程中听到模具开裂声音,随即停止冷却,并放在 630℃回火炉中回火,回火时裂纹继续扩展使模具成为多个 碎块由于发现模具开裂, 中止继续回火 2 检验内容及结果 2 1 原材料化学成分分析在模具上取样,测定模具的化学成分 (质量分数,%) 如下:0 30Ｃ,8 2Ｗ,2 5Ｃｒ,0 35Ｖ,0 32Ｓｉ,0 30Ｍｎ,0 032 Ｓ,0 028Ｐ。

与ＧＢ1299—2000(合金工具钢)相比,符合标 准 2 2 硬度测定用ＨＲ150洛氏硬度试验机测定锻件的表面硬度为28～30 ＨＲＣ,模具回火后的表层硬度为40～41ＨＲＣ,心部硬度 为47～48ＨＲＣ 2 3 断口形貌(1)宏观检查 模具横向多处断裂,裂纹特征有直裂纹、弯 折裂纹和圆弧裂纹, 在模具碎块的横断面表层可观察到有约30ｍｍ细瓷状 断口,见图2断口内部有山脊状扩展形貌,放射线中心朝 向模具心部,表明裂纹源形成于模具心部心部为粗晶状 断口,有十分明显的金属光泽上述特征可以判定该模具 的开裂是由心部脆性解理断裂引发的 (2)断口微观检查 用扫措电镜对细瓷状断口、粗晶状断口进行观察,结 果见图3、4从粗晶状断口扫描电镜照片可以看到,断口中有明显 的解理台阶,属穿晶解理断裂特征 2. 4 显微组织分析在模具开裂处,对粗晶状断口、细瓷状断口截取试样,样 品制备后,用4%硝酸酒精溶液短时轻微腐蚀,然后在金相显 微镜下观察尽管照片中组织不太清晰,可以观察到淬火 前奥氏体晶粒分布情况,见图5用奥氏体晶粒度评级标准 [2]评定晶粒度等级为6级,粗晶状断口处的晶粒和组织粗 大(图6),晶粒度等级为1级。

观察还发现碳化物呈严重的 带状分布,见图8在细瓷状与粗晶状断口的衔接处存在大 小晶粒不匀的现象3 讨论 文献[3,4]介绍3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢是一种压铸模具钢,该钢含有 较多的钨和铬,具有较小的热膨胀系数和较好的耐蚀性 钨可以增加钢的耐热性,减少回火脆性和热处理变形由 于该钢的碳含量较低(0 25%～0 40%),使钢具有良好的导 热性和足够的韧性加入少量的钒可细化晶粒,提高耐磨 性3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢属于过共析钢,正常淬火组织应为较细 的马氏体、残留奥氏体和少量的粒状碳化物若淬火温 度过高,则得到粗大马氏体图4所示模具断口心部呈粗晶 状断口形貌,有脆性解理断裂特征图6的金相组织表明,奥氏体晶粒粗大,马氏体粗大,属于明 显的过热现象但模具表层细瓷状断口(图2、3)和细小晶 粒(图5),属于正常的淬火组织分析认为:厂方在加工模具 时,发现锻件的硬度偏高,曾经进行一次降低硬度退火,但退 火保温时间不够,仅使表层重结晶细化,因此出现了表层的 细晶粒和细瓷状断口由于模具心部未热透,淬火加热出现组织遗传现象,形成 粗大奥氏体晶粒,冷却时产生粗大马氏体在模具心部受组 织应力和热应力的双重作用,形成裂纹源,裂纹扩展导致表 面开裂。

模具横截面出现较多的横向裂纹、弯折裂纹和弧 状裂状,这主要与锻造质量有关碳化物带状分布说明锻造 不充分,是造成弯折裂纹和弧状裂纹的主要原因,由宏观形 貌和金相组织特征可以推断,锻造起始温度高,造成组织过 热,提供锻件时未向用户说明,用户按正常温度淬火时出现 开裂事故 4 结论热锻模开裂的主要原因属于锻造组织存在严重缺陷,即 粗大的奥氏体晶粒(锻造过热组织)和严重的碳化物带 状分布,模具淬火前未经充分退火细化晶粒,从而造成正 常温度淬火开裂案例4 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析1、背景2 检查、试验2.1宏观检查2.2 断口微观检查2．3化学成分2．4硬度测试2．5 冲击试验2．6 金相检查3 分析4 结论1、背景 漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽 式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr131998年4月 大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一 个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象修 复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为： 拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损 坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段 围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运 行。

2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加 剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱 落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形对照1998 年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修 复处理过的叶片由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为 严重，故把整个转子送到制造厂修复为了找出叶片断裂 的原因，我们开展了一系列的失效分析工作 2 检查、试验2.1宏观检查检查发现丢落的19个叶片的断裂部位均位于叶片倒/形槽根 部的横断面上（见图1）， 肉眼观察断口表面呈红褐色和灰褐色，有锈斑断口平坦并分 成两个区，其中大面积区呈光滑状，小面积区呈纤维状，个别 断口几乎全部呈光滑状拆卸时发现叶片根部装配较松，极易 取下2 断口微观检查断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察 ，发现有典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源， 疲劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤 维区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积图2为疲劳 源和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹，这是疲 劳断裂典型特征进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段 （见图3、4），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳 定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。

此外，还能观察到裂纹的 存在，且从源区向心部发展在疲劳裂纹扩展区，则能观察到 颗粒状脆性断裂特征（见图5）断口开裂以穿晶断裂为主，无 沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌这 说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂 2．3化学成分分析损坏叶片取样分析结果见表1从表1可以看出， 损坏叶片材料的化学成分合格 2．4硬度测试断裂叶片根部侧面布氏硬度测试结果见表2表2表明 ，断裂叶片的硬度值略偏高，推测叶片材料的强度较高 2．5 冲击试验 2．6 金相检查 选取断裂叶片根部侧面进行金相检查分析，首先对未浸 蚀的试样表面进行检查，发现其中一个倒<形槽的根部 还存在微裂纹（微裂纹平直且走向平行于断口表面） 用氯化铁盐酸水溶液浸蚀试样表面后观察其金相组织为 具有位向的回火索氏体（见图6），图7为带微裂纹处的 金相照片，组织状态正常3 分析(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分 合格，主要性能指标也基本正常2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集 中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征， 裂纹扩展属穿晶走向3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安装 时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是松 配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部，根 部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑移 带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展，最 终造成根部疲劳断裂。

4)断裂的19个叶片中，大部分断口都属于疲劳断口，这表 明在叶片发生大面积断裂前，其根部已产生或大或小的疲 劳裂纹，最后导致部分叶片先断裂，并引起其余叶片提前 断裂 4 结论漳平电厂1号机高压转子第+级叶片大面积断裂的主要原因是 装配时叶片根部间隙偏大，在运行过程中叶片振动引起根部 产生疲劳裂纹源，随着疲劳裂纹的不断扩展，最终导致叶片 疲劳断裂。