钟形壳中钟形壳失效分析检测方案(离子溅射仪)

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钟形壳断裂失效分析 郑晓敏 (万向集团公司技术中心，浙江，杭州311215) 摘要：采用金相分析以及扫描电镜分析等试验方法对钟形壳进行了分析。结果表明：导致钟形壳断裂主要是因为锻造工序中在R角部位出现了过烧。通过改进锻造工艺，解决了断裂问题。 关键词：过烧组织；锻造工艺 Abstract： The outer race was analyzed by means of microstructure examination andfractographic examination. The results show that the root cause of the break issuefor the outer race is the R position of the outer race have be burned during theforging process. By improving the forging technology，the fracture problem wasfinallysolved. Key words： burnt structure； forging technology 某型号等速驱动轴在主机厂整车装配后下线试车时，突然发生断裂，拆卸后检查发现断裂发生在驱动轴和汽车轮毂连接部位的钟形壳；钟形壳的材质是 Cf53 钢，主要加工工艺：原材料一下料一热锻一正火一粗、细车加工一中频淬回火一磨加工一探伤一装配。R角处表面经过中频淬回火，其表面组织要求M3-6级。 检验与分析 1.1宏观分析 钟形壳断裂面位于钟形壳花键和端面连接的R角处，如图1中红色箭头标注处。断口平坦没有明显塑性变形，如图2所示，心部呈灰褐色石头状，晶粒粗大无亮泽，外圈呈细瓷状，有少量锈点。从宏观形貌分析，推断心部断裂面形成之后经过高温氧化；外圈为新鲜断口，是最后断裂区域。 图 1 断裂部位 图2 断口宏观形貌 Fig.2 fracture area Fig.2 Macro-fractograph 1.2断口微观分析 在 SEM 中观察断口的形态，外圈(感应淬火区)微观形貌为沿晶形貌，如图3所示，感应淬火过渡区微观形貌为沿晶加韧窝，如图4所示，心部晶粒表面圆钝化非常严重，如图5所示，表面覆盖着一层熔融物，如图6所示。从心部形貌分析，该断裂面形成后经历了高温热处理，且温度超过奥氏体化温度。外圈沿晶形貌表明脆性断裂，存在晶界弱化，晶界面上清晰，无氧化物，说明断口形成后没有经过高温氧化。因此，推断心部应在产品安装前就存在缺陷，外圈是安装受力之后断裂的。 图3感应淬火区微观形貌 1100X 图4感应淬火过渡区微观形貌2000X Fig. 3 Facture appearance of inductionhardened area Fig. 4 Facture appearance of inductionhardened transition area 图5 心部微观形貌1200X 图6心部微观形貌1300X Fig.5 Facture appearance of center area Fig.6 Facture appearance of center area 1.3金相组织分析 沿着断裂起源部位垂直断口进行切割、制一轴向试样，抛光态分析，在断口边缘区域的心部有平行断裂面的微裂纹，如图7所示，同样是心部区域发现有不少黑色氧化孔洞，如图 8所示，试样上有A、B类非金属夹杂物存在，但没有发现异常级别和超大颗粒的非金属夹杂物。经4%硝酸酒精浸蚀后，表层感应淬火区域按照 JB/T9204-1999 标准评定表面金相组织为马氏体4级，如图9所示；心部组织为珠光体+铁素体，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，如图10所示。 距离断口约15mm切割一横向试样，心部没有发现黑色氧化孔洞，表层感应淬火区域马氏体4级。黑色氧化孔洞说明该区域经历了高温过烧，表层感应淬火马氏体组织正常，说明过烧不是发生在感应淬火工序。心部组织为珠光体+铁素体，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，是因为正火工序将过烧组织得到一些修正，但原来过烧造成的黑色孔洞仍来存在，因此过烧应该发生在正火工艺之前。 图7 微裂纹500X 图8 黑色氧化孔洞500X Fig. 7 Crazing 500X Fig.8 Black holes oxidation 500X 图9 表层组织 500X 图10 心部组织 100X Fig.9 Microstucture at edge 500X Fig. 10 Microstucture in center area 1.4化学成分分析 将断口通过 QSN750 火花直读光谱仪进行元素分析，结果见表1，符合企业标准要求。 表1化学成分分析结果 Table 1 Analysis results of chemical composition 检测元素 C% Si% Mn% P% S% Cr% Ni% Cu% 标准要求 0.50~0.57 0.150.35 0.600.90 ≤0.035 ≤0.040 ≤0.25 ≤0.20 ≤0.25 实测值 0.55 0.30 0.87 0.017 0.011 0.14 0.098 0.12 2讨论与分析 从断口宏观和微观形貌分析，心部缺陷在产品安装之前就存在，且经过高温融化，导致晶粒严重圆钝化以及表层覆盖着熔融氧化物，外层是受力后一次性脆性断裂，外层感应区域不正常的沿晶断裂，推断该钟形壳经历了过热或过烧，导致晶界弱化，产生沿晶断口。 从垂直断口切割试样的金相分析，黑色氧化孔洞说明该区域经历了高温过烧，表层感应淬火马氏体组织正常，说明过烧不是发生在感应淬火工序。心部组织为珠光体+铁素体，晶粒大小不均，有粗大晶粒存在，是因为正火工序将过烧组织得到一些修正，但原来过烧造成的黑色孔洞仍来存在，因此过烧应该发生在正火工艺之前，即锻造工序。轴向试样非金属夹杂物分析，没有发现异常的非金属夹杂物缺陷，而从远离断口切割的试样分析，同样是心部，没有发现黑色孔洞缺陷，说明缺陷主要集中在钟形壳R角区域，即断裂区域。如果是原材料疏松、残余缩孔等缺陷，往往会伴随着严重的夹杂物，而且随着材料锻造成型，缺陷会沿轴向扩展，不会仅仅局限与某一区域，因此可以排除是原材料缺陷。 通过对同一批次产品的金相分析发现，花键和端面连接的R角处晶粒均比其余部位粗大；通过对锻造工序分析得知，由于花键和端面连接的R角处特定的结构以及锻造温度设定偏高，非常容易导致R角处过热，甚至过烧。 3 结论 (1)钟形壳在锻造工序中花键和端面连接的R角处出现了过烧现象，过烧导致该部位出现孔洞和晶界弱化，在承受外力之后发生脆性断裂。 (2)对该钟形壳锻造工艺进行了改进，另外在产品工序抽查过程中加强对R角处金相分析，以便对R角处异常组织及时监控。 ( 参考文献： ) ( [1]任颂赞.张静江，陈质如，等，钢铁金相图谱[M].上海：上海科学技术文献出版社， 2003. ) ( [2] 张栋.钟培道，陶春虎，等，失效分析[M].北京：国防工业出版社，2004. ) 采用金相分析以及扫描电镜分析等试验方法对钟形壳进行了分析。结果表明：导致钟形壳断裂主要是因为锻造工序中在 R 角部位出现了过烧。通过改进锻造工艺，解决了断裂问题。