材料失效分析案例

1、2016汽车曲轴热锻的模具汽车曲轴热锻的模具案例背景案例背景 研究失效方法研究失效方法结果分析结果分析改进措施改进措施目录目录一、案例背景一、案例背景H13H13钢是一种含硅、铬、钼和钒的中合金热作模具钢，其化学成钢是一种含硅、铬、钼和钒的中合金热作模具钢，其化学成分与我国的分与我国的4Cr5MoSiV14Cr5MoSiV1钢（合金工具钢）相当。钢（合金工具钢）相当。H13H13钢具有较好钢具有较好的耐磨性、高的冲击韧性和抗冷热疲劳性能，热处理变形较小，的耐磨性、高的冲击韧性和抗冷热疲劳性能，热处理变形较小，是一种综合性能优良的模具钢，广泛应用于汽车零部件的热锻模是一种综合性能优良的模具钢，广

2、泛应用于汽车零部件的热锻模具。某锻造企业采用具。某锻造企业采用H13H13钢作为汽车曲轴热锻的模具材料。该模钢作为汽车曲轴热锻的模具材料。该模具的设计寿命为具的设计寿命为4500450050005000件，但部分模具仅生产件，但部分模具仅生产100100多件即发生多件即发生断裂失效，造成很大的经济损失。断裂失效，造成很大的经济损失。二、研究失效方法二、研究失效方法 原材料化学成分 硬度测定 断口形貌 1)宏观检查 2)微观检查 显微组织分析原材料化学成分 从模具的裂纹源附近提取样品，用碳硫分析仪及等离子体光谱仪进行模具从模具的裂纹源附近提取样品，用碳硫分析仪及等离子体光谱仪进行模具材料的化学成

3、分分析，结果如下：材料的化学成分分析，结果如下： 与标准规定的化学成分相比，模具的化学成分中与标准规定的化学成分相比，模具的化学成分中V V 含量含量低于低于标准含量标准含量 的下限成分，而的下限成分，而Si Si含量含量高于高于标准含量。标准含量。硬度测定由表可得，模具钢各部位的硬度基本均匀一致。 取部分失效模具试样进行冲击试验，不同试样的平均冲击韧度KV仅为4. 76 J /cm2，远低于常规H13 钢在室温时冲击韧度( 一般应达到25 35 J /cm2 )断口宏观形貌分析 模具的断裂失效部位形貌如右图所示。模具型模具的断裂失效部位形貌如右图所示。模具型腔未发现热磨损痕迹，没有明显塑性变

4、形发生，腔未发现热磨损痕迹，没有明显塑性变形发生，未发现龟裂，也未发现加工刀痕的痕迹，失效模未发现龟裂，也未发现加工刀痕的痕迹，失效模具呈现两条相交的宏观裂纹，呈具呈现两条相交的宏观裂纹，呈“T”T”字型，其字型，其中一条横向贯穿模具。根据裂纹的位置和方向，中一条横向贯穿模具。根据裂纹的位置和方向，可以判断横穿整个模具的较长的一条裂纹最先形可以判断横穿整个模具的较长的一条裂纹最先形成，阻止了较短一条裂纹向前扩展，故较长的为成，阻止了较短一条裂纹向前扩展，故较长的为主裂纹，较短的为次裂纹。主裂纹，较短的为次裂纹。断口微观形貌分析从图中解理台阶及解理扇形花样可以判断该失效模具钢的断裂机制为解理断裂

5、解理断裂。断口微观分析 对失效模具切割、取样，进行金相制样，用4%硝酸酒精腐蚀后观察其显微组织如图，从图中可看出失效模具钢中存在块状的不均匀组织。a) 纵截面 b) 横截面三、结果分析三、结果分析合金中各元素对合金中各元素对H13H13模模具钢的影响具钢的影响模具微观形貌对模具微观形貌对H13H13模模具钢的影响具钢的影响断口宏观和微观形貌断口宏观和微观形貌对对H13H13模具钢的影响模具钢的影响各因素对各因素对H13H13模具钢的模具钢的失效判定失效判定 从合金元素的分析结果来看，从合金元素的分析结果来看，H13H13模具钢中模具钢中Si Si含量偏高而含量偏高而V V含量偏含量偏低。由于汽

6、车曲轴的锻造过程中，模具温度可能远超过低。由于汽车曲轴的锻造过程中，模具温度可能远超过500 500 ，过，过高的高的Si Si含量将促进回火过程中晶间碳化物粗化，恶化钢的抗热疲劳含量将促进回火过程中晶间碳化物粗化，恶化钢的抗热疲劳性能。因此，这是造成性能。因此，这是造成H13H13模具早期失效的重要原因之一。模具早期失效的重要原因之一。该失效模具宏观上以劈裂的形式断开，断口呈现明显的人字条纹及放射线花该失效模具宏观上以劈裂的形式断开，断口呈现明显的人字条纹及放射线花样，表明裂纹的扩展是不稳定的、快速的样，表明裂纹的扩展是不稳定的、快速的; ;微观上可见解理台阶和解理扇形花微观上可见解理台阶和

7、解理扇形花样，具有解理断裂的典型特征。由此判断其失效形式为脆性断裂，失效机制样，具有解理断裂的典型特征。由此判断其失效形式为脆性断裂，失效机制为解理断裂。为解理断裂。 由失效模具微观形貌可知，该模具钢的锻后退火态存在大块不均匀组织，可由失效模具微观形貌可知，该模具钢的锻后退火态存在大块不均匀组织，可以推断，这是由于模具钢的锻造及预备热处理以推断，这是由于模具钢的锻造及预备热处理( ( 球化退火球化退火) ) 不良所致，这也是不良所致，这也是造成该模具失效的最重要原因。造成该模具失效的最重要原因。结论：结论：汽车曲轴热锻模具所用汽车曲轴热锻模具所用H13H13钢化学成分与标准中规定的合钢化学成分

8、与标准中规定的合金元素含量相比，其裂纹源附近的金元素含量相比，其裂纹源附近的V V含量偏低，而含量偏低，而Si Si含量偏高。无含量偏高。无论是锻后退火态，或者是最终热处理态的模具钢中都存在带状组论是锻后退火态，或者是最终热处理态的模具钢中都存在带状组织和块状组织，表明该模具钢中的化学成分和显微组织不均匀，织和块状组织，表明该模具钢中的化学成分和显微组织不均匀，致使模具的力学性能尤其是冲击韧度降低，是造成模具早期失效致使模具的力学性能尤其是冲击韧度降低，是造成模具早期失效的主要原因。的主要原因。四、改进措施四、改进措施（1 1）提高模具中的钒元素的含量达到标准，降低硅元素的含量（钒：钒）提高模具中的钒元素的含量达到标准，降低硅元素的含量（钒：钒比铬和钼更容易形成碳化物，极少溶入铁的固溶体中。钒的碳化物使钢比铬和钼更容易形成碳化物，极少溶入铁的固溶体中。钒的碳化物使钢具有良好的热硬性，并可细化晶粒，提高钢的耐磨性。硅：一定程度上具有良好的热硬性，并可细化晶粒，提高钢的耐磨性。硅：一定程度上降低钢的韧度和塑性。一般都将硅限制在