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失效分析案例

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球墨铸铁大型钢圈失效分析报告

球墨铸铁应用较为广泛,与常规铸铁相比,有更优异的强度、塑性、韧性、耐磨性、耐冲击、以及尺寸稳定性等。本文所描述产品为大型钢圈,直径约200cm,在组装过程中,约45度角跌落即发生了碎裂。

钢圈加工工序为:铸造、粗加工、调质、精加工,采用等离子切割U型安装口。产品图片及断口形貌见下图:

样品实物照片及开裂位置

图1 样品实物照片及开裂位置

断口清洁后宏观图片

图2 断口清洁后宏观图片

根据产品失效情况,我们分别对产品硬度、金相等指标进行了分析检查结果如下:

样品前处理

球墨铸铁大型钢圈样品前处理

一、硬度测试

球墨铸铁大型钢圈硬度测试

结果分析:失效分析件表面硬度和心部硬度均正常,表面硬度和心部硬度无较大差别。

二、金相分析

裂纹附近表面显微组织未腐蚀100×

图3 1#件裂纹附近表面显微组织未腐蚀100×

裂纹附近表面显微组织未腐蚀  100×

图4 1#件裂纹附近表面显微组织未腐蚀  100×

裂纹附近心部显微组织未腐蚀  100×

图5 1#件裂纹附近心部显微组织未腐蚀  100×

裂纹附近心部显微组织未腐蚀  100×

图6 1#件裂纹附近心部显微组织未腐蚀  100×

裂纹附近表面显微组织  100×

图7 1#件裂纹附近表面显微组织  100×

裂纹附近心部显微组织  100×

图8 1#件裂纹附近心部显微组织  100×

裂纹附近心部显微组织  500×

图9 1#件裂纹附近心部显微组织  500×

U形缺口部位表层显微组织  50×

图10 1#件U形缺口部位表层显微组织  50×

U形缺口部位表层显微组织200×

图11 1#件U形缺口部位表层显微组织200×

U形缺口部位表层显微组织  500×

图12 1#件U形缺口部位表层显微组织  500×

结果分析:钢圈显微组织如图3至图12所示。经过对比分析,分析结果如下:表面组织为珠光体+不规则的石墨+少量铁素体,有0.28mm左右的脱碳层(见图7);心部组织为珠光体+不规则的石墨+少量碳化物+少量铁素体(图8-9),局部存在疏松(见图6右下角)。基材按GB/T 9441-2009评定级别为:球化率<50%,石墨大小4级,珠光体>95%。U形缺口部位金相组织为针状马氏体+不规则石墨+碳化物+残余奥氏体,组织分布不均匀,存在约1.2mm的淬火层,微观硬度达800HV3(图10-12)。

三、意见和解释

1、通过宏观观察样品,断裂位置位于U形缺口处,断面裂纹走向由缺口处向外圆呈河流状延伸,断口形貌为脆性断口;

2、钢圈石墨球化率过低、过大,长条状石墨易产生应力集中,当长条石墨靠近边缘时,易形成裂纹源;

3、钢圈热处理后切割U型缺口时导致表层淬火,此处硬度过高,与基体硬度存在极大硬度差,淬火应力并未能及时消除,当受外力时,淬火层首先开裂,由于基材球化率低,局部存在疏松,降低了材料韧性,导致裂纹快速扩张,产生脆性开裂。

4、建议改善铸造石墨大小及形态,并避免在调质后进行热加工。

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