Cr12Mo1V1钢陶瓷模块“爆模”失效分析
时间：2020-12-21 阅读：560
Cr12Mo1V1钢陶瓷模块“爆模”失效分析
摘要：针对Cr12Mo1V1钢陶瓷块在用真空炉进行正常的淬火和回火热处理后发生整体开裂(“爆模”)，对该模块的化学成分、共晶碳化物不均匀度、硬度和晶粒尺寸进行了测定，并作了断口分析。失效分析认为，过热组织是该模块整体开裂(“爆模”)的主要原因；未设计过渡圆角的深槽以及槽面上粗重的磨痕导致严重的应力集中，也会加剧开裂的危险。
关键词：失效分析；整体开裂；晶粒尺寸；瓷状断口；过热组织
Failure Analysis on a Whole Cracked Cr12Mo1V1 Die for Molding Ceramics
XIE Zhenyong，GUO Xiaojun
(Changcheng Special Steel Co.)
Abstract：A die block of Cr12Mo1V1 steel for molding ceramics wholly cracked just after normally heat treated with a vacuum furnace. Then the chemical composition，uniformity of eutectic carbides，hardness and grain size and fractography were analyzed. And conclusion was reached after failure analysis that the wholly crack mainly caused by overheated structure，in addition to the severe stress concentration on the corner of a deep slot where designed without fillet and grinded with rough traces.
Keywords：failure analysis；wholly cracks；grain size；fractography；over heated structure
用Cr12Mo1V1钢制成25mm×250mm×250mm的陶瓷模块，用真空炉进行正常的淬火和回火热处理((1020±10)℃淬火，500℃×4h两次回火)后，发现几十个模块中有一块在“涂胶”工序中就发生了“爆模”，即整体开裂事故。本文分析了“爆模”模块失效原因。
1. 试验方法及结果
1.1. 化学成分分析
首先对该模块取样进行了化学成分分析，结果如表1所示。可见，钢材的化学成分符合国家标准。
表 1 “爆模”模块的化学成分
Tab. 1 Chemical composions of the cracked die
|
| C | Mn | Si | S | P | Cr | Mo | V | Ni |
| GB1299-85 | 1.40~1.60 | ≤0.60 | ≤0.60 | ≤0.030 | ≤0.030 | 11.00~13.00 | 0.70~1.20 | ≤1.10 | ≤0.25 |
| 实测值 | 1.52 | 0.23 | 0.39 | 0.013 | 0.019 | 11.69 | 0.86 | 0.50 | 0.10 |
1.2. 低倍观察
对“爆模”模块进行宏观观察发现，初始小裂纹集中出现于模块某个边部中间位置的一个弧形深槽的槽面上，其中一个裂纹扩展并延伸到超过模块中心，引起整体性开裂，即所谓“爆模”。该槽的各棱边与相邻表面之间均未设计过渡性圆角，槽面上留有较多粗重的磨痕（图1）。
图 1 开裂模块凹槽处的低倍形貌（1:1）
Fig. 1 Macrophoto at the trough of the cracked die(1:1)
1.3. 共晶碳化物不均匀度
对模块取样，按GB1299-85中的评级图进行评级，结果为4级，如图2所示。
图 2 “爆模”开裂处附近的共晶组织
Fig. 2 Eutectic structure by the side of the main crack
1.4. 洛氏硬度测量
对“爆模”模块进行洛氏硬度测量，所测18个数据的平均值为61.3HRC，数据散差很小。
1.5. 晶粒度测量
用硝酸酒精溶液腐蚀试样，测得实际晶粒度为7~8级混晶，如图3所示。
图 3 主裂纹附近的实际晶粒度
Fig. 3 Actual grain size by the side of the main crack
1.6. 断口分析
断口图象见图4，按文献[1]定性为准解理类型的瓷状断口。
图 4 断口图像
Fig. 4 Fracture photograph
2. 讨论
“爆模”模块的断口属于准解理类型的瓷状断口。瓷状断口对于低温回火钢是正常的，对于高温回火钢则说明热处理工艺不当[1]。发生“爆模”模块热处理采用（1020±10）℃淬火及500℃×4h两次回火，属高温回火工艺，这说明该模块的开裂与热处理有关。
Cr12Mo1V1钢经正常的热处理后晶粒度应该是9~10级；只有当淬火温度过高，超过1150℃时才会产生粗大的7~8级晶粒[2]，对Cr12Mo1V1钢而言，此时已经过热了。工件淬火温度过高会造成奥氏体晶粒粗大，一方面导致晶界强度降低，使裂纹易于沿晶扩展；另一方面也使过多的碳化物溶入奥氏体，引起淬火马氏体强度降低，脆性增大，都会造成开裂倾向增大[3]。过热淬火使工件容易开裂。可认为晶粒度7 ~8级的过热组织是该模具发生“爆模”开裂的主要原因。
当工件表面岛国有尖锐的凹角、切口、凹槽等产生应力集中的部位时，淬火后表层处于拉应力状态，应力集中会达到正常值的数倍，因而较易于引起淬火开裂[3]。而如图1所示，该“爆模”模块边部所开弧形凹槽是“尖锐的”，其棱边与相邻各表面均无圆角过渡，会导致很大的应力集中程度。再加上槽面残留的粗重磨痕也会进一步加剧应力集中。所以，模具设计和加工过程中的失误也是导致“爆模”开裂的重要原因。该模块的组织共晶级别偏高也可能引起“爆模”开裂的间接原因，但显微观察中并未发现共晶碳化物导致产生裂纹和现象。
3. 结论
失效分析表明，“爆模”开裂的主要原因是热处理时出现了过热，另外，模具设计在凹槽处未留圆角过渡以及加工过程中没有在热处理前清除槽面上粗重的磨痕导致严重的应力集中也是导致开裂的重要原因。
参考文献：
[1] 冶金部钢铁研究院等.合金钢断口分析金相图谱.北京:科学出版社,1979.97,49.
[2] 张定夷,Cr12Mo1V1钢组织和性能.金属热处理,1978.(4):1~3.