摘 要:某３Cr２W８V 合金鋼軸承套圈用熱擠壓芯棒發(fā)生斷裂失效,通過(guò)斷口宏觀分析、化學(xué)成 分分析、硬度測(cè)試、金相檢驗(yàn)等方法,分析了其斷裂失效的原因.結(jié)果表明:該芯棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合 理且機(jī)加工表面質(zhì)量不良,在拉Ｇ壓交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力復(fù)合作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中,于應(yīng)力集中的 過(guò)渡圓角部位的夾雜物相處開(kāi)裂形成疲勞裂紋源,發(fā)生早期疲勞斷裂. 

關(guān)鍵詞:３Cr２W８V 合金鋼;熱擠壓芯棒;疲勞斷裂;應(yīng)力集中 

中圖分類號(hào):TG１１５．２ 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):１００１Ｇ４０１２(２０１８)０７Ｇ０５２３Ｇ０３

３Cr２W８V 合金鋼含有較高含量的鉻、鎢元素, 易形成碳化物,因此在高溫下有較高的強(qiáng)度和硬度, 但其韌性和塑性相對(duì)較差.該合金鋼的相變溫度較 高,抵抗冷熱交變的耐熱疲勞性好,能承受較大的壓 應(yīng)力、彎應(yīng)力和拉應(yīng)力,廣泛用于制作熱擠壓模具、 熱沖壓模具及軸承套圈的熱鍛模具等[１Ｇ３].

軸承套圈用熱擠壓芯棒工作環(huán)境苛刻,工作時(shí) 需要承受較大的彎應(yīng)力,同時(shí)工件的高溫會(huì)傳導(dǎo)到 模具上,工件加工完成后芯棒用水冷卻,模具溫度變 化大.采用３Cr２W８V 合金鋼制造的滾動(dòng)軸承套圈 熱擠壓芯棒原設(shè)計(jì)壽命為５０００件,但是部分模具 僅生產(chǎn)３００~８００件就發(fā)生斷裂失效,嚴(yán)重影響生產(chǎn) 效率,加大了生產(chǎn)成本.筆者通過(guò)斷口宏觀分析、化 學(xué)成分分析、硬度檢測(cè)、金相檢驗(yàn)等方法,對(duì)早期斷 裂失效芯棒的斷裂原因進(jìn)行了分析,后續(xù)通過(guò)模具 結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和生產(chǎn)工藝的調(diào)整,大幅提升了芯棒壽 命,提高了生產(chǎn)效率,降低了生產(chǎn)成本.

１ 理化檢驗(yàn) 

１．１ 斷口宏觀分析 

斷裂失效熱擠壓芯棒的宏觀形貌如圖１所示, 所有失效芯棒的斷裂位置均位于圓錐面向圓柱面過(guò) 渡的圓角處,該位置處可見(jiàn)明顯切削刀痕.圖２為 斷裂熱擠壓芯棒的斷口宏觀形貌,可見(jiàn)斷口右邊邊 緣有裂紋臺(tái)階,高倍下邊緣有明顯的弧形裂紋,表面存在一定程度的氧化,呈現(xiàn)氧化色,色澤較淺,可見(jiàn) 明顯瞬時(shí)斷裂區(qū),斷口呈現(xiàn)彎曲Ｇ扭轉(zhuǎn)應(yīng)力復(fù)合作用 產(chǎn)生的疲勞斷口形貌特征.

１．２ 化學(xué)成分分析 

采用 ThermoARL４４４６０直讀光譜儀對(duì)斷裂芯 棒進(jìn)行化學(xué)成分分析,結(jié)果見(jiàn)表１,可見(jiàn)斷裂芯棒的 化學(xué)成分符合 GB/T１２９９－２０００ 對(duì) ３Cr２W８V 合 金鋼成分的要求.

１．３ 硬度測(cè)試 

斷裂芯棒的硬度測(cè)試結(jié)果見(jiàn)表２,可見(jiàn)該斷裂 芯棒從表面到心部的硬度分布均勻且符合相關(guān)企業(yè) 標(biāo)準(zhǔn).

１．４ 金相檢驗(yàn) 

在芯棒的斷口處取樣,制備 金 相 試 樣,用 ４％ (體 積 分 數(shù))硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蝕 后,采 用 NiKon ECLIPSE MA１００光 學(xué) 顯 微 鏡 觀 察 其 顯 微 組 織 形 貌,如圖３所示,可見(jiàn)其顯微組織為細(xì)針狀馬氏體＋ 細(xì)小顆粒狀碳化物＋少量殘余奧氏體,顯微組織分 布均勻,為３Cr２W８V 合金鋼正常淬、回火組織.

２ 分析與討論 

芯棒斷裂處位于圓角過(guò)渡處,整個(gè)芯棒表面加 工質(zhì)量較差,但芯棒化學(xué)成分、硬度均符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn) 技術(shù)要求,且顯微組織正常. 

芯棒工作受力模式為典型的懸臂梁式,一端是 固定支座,另一端為自由端,如圖４a),b)所示.定 義坐標(biāo)原點(diǎn)為固定端B 處,x 為集中力F 作用點(diǎn)到 B 點(diǎn)的距離,如圖４c)所示.依據(jù)懸臂梁式的受力 特點(diǎn)可知,芯棒受到的彎矩從 A 到B 呈線性增加, B 點(diǎn)處受到的彎矩最大,即工作彎矩產(chǎn)生的最大拉應(yīng)力和剪應(yīng)力均集中在裝卡圓角過(guò)渡區(qū),且恰好是 懸臂梁受約束處.懸臂梁受力計(jì)算公式為 

式中:M 表示彎矩力;F 表示作用力;x 表示作用力 點(diǎn)到原點(diǎn)處的距離.

定義圓角過(guò)渡處的極慣性矩為IZ,慣性矩計(jì)算 公式為

式中:D 表示芯棒工作端直徑.

定義懸臂梁截面所受正應(yīng)力為σ,則 B 處截面 所受正應(yīng)力最大,其計(jì)算公式為

式中:σmax表示最大正應(yīng)力;R 表示受正壓力的點(diǎn)到 支撐點(diǎn)的距離.

由上述應(yīng)力分析可知,從A 處至B 處芯棒上表 面所受拉應(yīng)力成線性分布,B 處截面所受正應(yīng)力最 大.同時(shí),在軸承套圈輾擴(kuò)時(shí),因轉(zhuǎn)動(dòng)的套圈和芯棒 之間的摩擦力作用處于拖曳旋轉(zhuǎn)狀態(tài),導(dǎo)致芯棒承 受很大的拉Ｇ壓交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)剪應(yīng)力,這些復(fù)合應(yīng) 力均集中于芯棒受約束的圓角過(guò)渡區(qū).觀察斷裂芯 棒可見(jiàn)加工表面存在明顯的切削刀痕,未達(dá)到設(shè)計(jì) 要求的表面粗糙度Ra≤１．６μm.圖５a)所示為切削 刀痕底部夾雜物掃描電鏡(SEM)形貌,切削刀痕底 部容易導(dǎo)致應(yīng)力集中,在局部微區(qū)內(nèi)產(chǎn)生的較高應(yīng) 力 作 用 下 ,成 為 裂 紋 形 核 源 .在 較 高 的 集 中 應(yīng) 力及交變應(yīng)力作用下,最終導(dǎo)致芯棒在過(guò)渡圓弧處產(chǎn) 生低周疲勞斷裂失效. 

從圖５b)可以看出,斷口由表面疲勞裂紋源所 形成的圓弧疲勞斷裂區(qū)和瞬時(shí)斷裂區(qū)組成,表現(xiàn)出 典型的低周疲勞特征,這與芯棒服役壽命低相符. 通常疲勞裂紋起源于應(yīng)力集中區(qū),特別是材料表面 加工缺陷處(偏深的切削刀痕)和冶金缺陷部位(夾 雜物)[４],懸臂梁的工作壓力分布特征使得過(guò)渡圓角 區(qū)產(chǎn)生高度的集中應(yīng)力,疲勞裂紋在該處萌生.

３ 結(jié)論及建議 

３Cr２W８V 合金鋼軸承套圈用熱擠壓芯棒斷裂 失效原因主要是該芯棒的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理再加上機(jī) 加工表面質(zhì)量不良,在拉Ｇ壓交變應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)應(yīng)力復(fù) 合作用下產(chǎn)生應(yīng)力集中,導(dǎo)致夾雜物相開(kāi)裂形成疲 勞裂紋源,發(fā)生早期疲勞斷裂.

建議優(yōu)化芯棒結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),加大過(guò)渡圓角半徑以 降低應(yīng)力集中;提高芯棒的機(jī)加工表面質(zhì)量,防止過(guò) 渡圓角處車削加工表面質(zhì)量不符合技術(shù)要求;改進(jìn) 回火工藝,保證充分回火,適當(dāng)降低模具硬度,提高 芯棒的塑韌性. 

參考文獻(xiàn): 

[１] 徐進(jìn),姜先畬,陳再枝,等．模具鋼[M]．北京:冶金工 業(yè)出版社,１９９８． 

[２] 李強(qiáng),施紅濤,肖輝．３Cr２W８V 熱擠壓模具鋼的熱處 理工藝分析[J]．中原工學(xué)院學(xué)報(bào),２００５,１６(５):５９Ｇ６１． 

[３] 張萬(wàn)濤,王學(xué)武．３Cr２W８V 鋼制熱擠壓模具鋼的熱處 理[J]．機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,２００２,３１(３):６５Ｇ６６． 

[４] 孫國(guó)峰,王大為．雙頭螺柱斷裂失效分析[J]．金屬熱 處理,２０１６,４１(４):２１３Ｇ２１５． 

[５] 袁峰,靳寶宏,門菲．發(fā)動(dòng)機(jī)連桿螺栓斷裂原因分析 [J]．理化檢驗(yàn)(理化分冊(cè)),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６． 

[６] 吳佳峻．１８CrNiMo７Ｇ６鋼齒輪軸開(kāi)裂失效分析[J]．理 化檢驗(yàn)(理化分冊(cè)),２０１７,５３(９):６７１Ｇ６７４． 

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