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材料力学性能不达标的失效分析案例

嘉峪检测网        2019-07-03 17:15

为了绿色环保且满足产品需要,笔者试制了一种含钒、钛合金元素的低碳贝氏体弹簧钢,将ϕ400mm×1000mm的铸造钢锭经1050℃始锻+800℃终锻(3次,第1次锻成ϕ300mm×500mm;第2次锻成250mm×300mm;第3次锻成220mm×300mm×50mm),然后缓慢冷却至室温,再按照GB/T 228.1-2010«金属材料拉伸试验第1部分:室温试验方法»加工成拉伸试样进行拉伸试验。结果表明,本次试验的低碳贝氏体弹簧钢力学性能很差,弹性极限和强度极限均不达标,拉伸断口平齐,无明显塑性变形区域,呈现脆性断裂特征,如图1所示。 

 

图1 某新型低碳贝氏体弹簧钢的拉伸曲线及拉伸断口形貌

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

 

理化检验

 

1、化学成分分析

从制备拉伸试样的同一批钢材上取样并进行化学成分分析,结果见表1。

 

表1 低碳贝氏体弹簧钢化学成分(质量分数)

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

可见表中各元素含量同本研究设计成分一致,成分达标。

 

2、硬度测试

从制备拉伸试样的同一批钢材上取3个硬度试样,分别编号为1,2,3号,并对其进行洛氏硬度测试,结果见表2。

 

表2 硬度测试结果HRC

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

可见3个试样不同区域的洛氏硬度分布不均,表明材料在组织或成分上存在分布不均的可能性。

 

3、非金属夹杂物检验

从制备拉伸试样的同一批钢材上取样,经磨抛后使用光学显微镜观察其夹杂物情况,如图2所示,基体中存在较多颗粒状和块状非金属夹杂物。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图2 非金属夹杂物形貌

 

依据GB/T 10561-2005«钢中非金属夹杂物含量的测定———标准评级图显微检验法»可评为D2细系。  

 

4、金相检验

将试样用4%(体积分数)的硝酸酒精溶液浸蚀,再采用光学显微镜对其显微组织进行观察,如图3所示。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图3 低碳贝氏体弹簧钢显微组织形貌

 

为了更进一步观察组织,确定组织特征,对试样进行扫描电镜(SEM)观察,如图4所示。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图4 低碳贝氏体弹簧钢SEM形貌

 

由图3可知,试样的大部分组织为板条状贝氏体,且伴有少量粒状贝氏体,并且存在孔洞及凹坑,孔洞是由于铸锭脱氧不充分而形成的气孔,凹坑则是由第二相脱落后形成,并均可观察到未知成分的白块组织。

 

由图4可知,在高倍扫描电镜下贝氏体组织的板条特征十分明显,组织特征符合本次试验所需。

 

本试验主要是得到板条状贝氏体及少量粒状贝氏体,是低碳合金钢中经常出现的组织。为抑制贝氏体组织转变过程中碳化物的析出以及提高钢中残余奥氏体稳定性,必须加入一定量的硅元素;此外,为细化晶粒组织,需进行铌、钛微合金化处理。

 

为观察上述缺陷的分布情况,将试样置于低倍扫描电镜下观察,如图5所示。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图5 低倍下缺陷分布形貌

 

为更清晰地观察上述缺陷的形貌,对试样进行高倍扫描电镜观察,如图6所示。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图6 高倍下缺陷分布形貌

 

由图5和图6可知,试样基体中存在较多夹杂物、白块、气孔和凹坑;夹杂物呈不规则颗粒状,白块尺寸较大呈方形棱角状。

 

5、夹杂物成分分析

为确定白块组织和颗粒状夹杂物的成分,对其进行能谱分析,如图7所示。

当制备出的材料没达到应有的力学性能,如何展开失效分析?

图7 EDS测试位置及测试结果

 

由图7a)和b)可知,该颗粒状夹杂物为氧化物夹杂,主要是以氧化铝的形式存在,为脱氧残留物;由图7c)和d)可知,白块的成分主要是以钛元素为主的氮化物。含钛微合金低碳钢随着钢中钛含量的增加,钢材的屈服强度、抗拉强度、屈强比都有不同程度的增加,且以钛含量为0.042%(质量分数,下同)为界,屈服强度和抗拉强度的增长趋势显著增加,主要是因为钛含量大于0.042%时,富余的钛与碳元素结合析出颗粒细小的TiC颗粒,起到强烈的沉淀强化作用;断后伸长率随钛含量的增加而减小,原因是钛含量较低时析出的TiN尺寸较大,引起的脆化效应要远强于TiC。

 

分析与讨论

颗粒状夹杂和白块的成分已经明确,颗粒状夹杂物考虑是在冶炼或浇注时形成,主要是脱氧过程中脱氧产物Al2O3的残留;白块组织主要是以钒、钛为主要元素的碳、氮化合物。钢的性能主要取决于钢的化学成分和组织,较多的夹杂物、气孔及凹坑的存在一方面造成了钢的组织不均匀,破坏了金属基体的连续性,减小了钢受力的有效面积,另一方面又提供了大量的裂纹源,使钢在较小的载荷作用下,便以某个夹杂为裂纹源产生应力集中,当这个应力增大到某一数值时,随即在裂纹源处萌生了裂纹。继续增加载荷时,所产生的应力不再增加,而被裂纹的扩展所吸收。推动裂纹扩展的应力大小由夹杂物的数量多少、尺寸大小、分布状态等因素决定。同时较多夹杂物的存在也说明了材料的洛氏硬度分布不均的问题。低熔点夹杂物在锻造时由于在晶界产生液相会引起热脆现象;硬度高、脆性大的夹杂会降低材料锻造性能,降低锻后零件的力学性能。

 

结论及建议

造成本次试验低碳贝氏体弹簧钢综合力学性能差的主要原因是基体中存在较多的夹杂物、气孔及凹坑,严重破坏了金属基体的连续性,造成了组织的不均匀;同时也造成了应力集中,使得金属在外力作用下产生裂纹并迅速扩展而断裂。

 

建议改善并加强炼钢工艺,将普通熔炼改为电渣重熔,提高钢液的纯净度,提高金属纯度,减少氧化物夹杂或对钢液进行真空处理、炉外精炼,同样也可提升钢液质量;适当减少钒、钛元素含量,减少氮化物的含量;适当改善锻造比,进一步改善内部组织,压实铸坯中的气孔。

 

作者:王楠,教授,西华大学

 

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