摘 要:某３Cr２W８V 合金鋼軸承套圈用熱擠壓芯棒發生斷裂失效,通過斷口宏觀分析、化學成 分分析、硬度測試、金相檢驗等方法,分析了其斷裂失效的原因.結果表明:該芯棒的結構設計不合 理且機加工表面質量不良,在拉Ｇ壓交變應力和扭轉應力復合作用下產生應力集中,于應力集中的 過渡圓角部位的夾雜物相處開裂形成疲勞裂紋源,發生早期疲勞斷裂. 

關鍵詞:３Cr２W８V 合金鋼;熱擠壓芯棒;疲勞斷裂;應力集中 

中圖分類號:TG１１５．２ 文獻標志碼:B 文章編號: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度和硬度, 但其韌性和塑性相對較差.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 應力、彎應力和拉應力,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境苛刻,工作時 需要承受較大的彎應力,同時工件的高溫會傳導到 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 合金鋼制造的滾動軸承套圈 熱擠壓芯棒原設計壽命為５０００件,但是部分模具 僅生產３００~８００件就發生斷裂失效,嚴重影響生產 效率,加大了生產成本.筆者通過斷口宏觀分析、化 學成分分析、硬度檢測、金相檢驗等方法,對早期斷 裂失效芯棒的斷裂原因進行了分析,后續通過模具 結構的優化和生產工藝的調整,大幅提升了芯棒壽 命,提高了生產效率,降低了生產成本.

１ 理化檢驗 

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 渡的圓角處,該位置處可見明顯切削刀痕.圖２為 斷裂熱擠壓芯棒的斷口宏觀形貌,可見斷口右邊邊 緣有裂紋臺階,高倍下邊緣有明顯的弧形裂紋,表面存在一定程度的氧化,呈現氧化色,色澤較淺,可見 明顯瞬時斷裂區,斷口呈現彎曲Ｇ扭轉應力復合作用 產生的疲勞斷口形貌特征.

１．２ 化學成分分析 

采用 ThermoARL４４４６０直讀光譜儀對斷裂芯 棒進行化學成分分析,結果見表１,可見斷裂芯棒的 化學成分符合 GB/T１２９９－２０００ 對 ３Cr２W８V 合 金鋼成分的要求.

１．３ 硬度測試 

斷裂芯棒的硬度測試結果見表２,可見該斷裂 芯棒從表面到心部的硬度分布均勻且符合相關企業 標準.

１．４ 金相檢驗 

在芯棒的斷口處取樣,制備 金 相 試 樣,用 ４％ (體 積 分 數)硝 酸 酒 精 溶 液 侵 蝕 后,采 用 NiKon ECLIPSE MA１００光 學 顯 微 鏡 觀 察 其 顯 微 組 織 形 貌,如圖３所示,可見其顯微組織為細針狀馬氏體＋ 細小顆粒狀碳化物＋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渡處,整個芯棒表面加 工質量較差,但芯棒化學成分、硬度均符合相關標準 技術要求,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 義坐標原點為固定端B 處,x 為集中力F 作用點到 B 點的距離,如圖４c)所示.依據懸臂梁式的受力 特點可知,芯棒受到的彎矩從 A 到B 呈線性增加, B 點處受到的彎矩最大,即工作彎矩產生的最大拉應力和剪應力均集中在裝卡圓角過渡區,且恰好是 懸臂梁受約束處.懸臂梁受力計算公式為 

式中:M 表示彎矩力;F 表示作用力;x 表示作用力 點到原點處的距離.

定義圓角過渡處的極慣性矩為IZ,慣性矩計算 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力為σ,則 B 處截面 所受正應力最大,其計算公式為

式中:σmax表示最大正應力;R 表示受正壓力的點到 支撐點的距離.

由上述應力分析可知,從A 處至B 處芯棒上表 面所受拉應力成線性分布,B 處截面所受正應力最 大.同時,在軸承套圈輾擴時,因轉動的套圈和芯棒 之間的摩擦力作用處于拖曳旋轉狀態,導致芯棒承 受很大的拉Ｇ壓交變應力和扭轉剪應力,這些復合應 力均集中于芯棒受約束的圓角過渡區.觀察斷裂芯 棒可見加工表面存在明顯的切削刀痕,未達到設計 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 部容易導致應力集中,在局部微區內產生的較高應 力 作 用 下 ,成 為 裂 紋 形 核 源 .在 較 高 的 集 中 應 力及交變應力作用下,最終導致芯棒在過渡圓弧處產 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和瞬時斷裂區組成,表現出 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力集中區,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渡圓角 區產生高度的集中應力,疲勞裂紋在該處萌生.

３ 結論及建議 

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構設計不合理再加上機 加工表面質量不良,在拉Ｇ壓交變應力和扭轉應力復 合作用下產生應力集中,導致夾雜物相開裂形成疲 勞裂紋源,發生早期疲勞斷裂.

建議優化芯棒結構設計,加大過渡圓角半徑以 降低應力集中;提高芯棒的機加工表面質量,防止過 渡圓角處車削加工表面質量不符合技術要求;改進 回火工藝,保證充分回火,適當降低模具硬度,提高 芯棒的塑韌性. 

參考文獻: 

[１] 徐進,姜先畬,陳再枝,等．模具鋼[M]．北京:冶金工 業出版社,１９９８． 

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

[３] 張萬濤,王學武．３Cr２W８V 鋼制熱擠壓模具鋼的熱處 理[J]．機械設計與制造工程,２００２,３１(３):６５Ｇ６６． 

[４] 孫國峰,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．發動機連桿螺栓斷裂原因分析 [J]．理化檢驗(理化分冊),２０１７,５３(１１):８３３Ｇ８３６． 

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

文章來源——材料與測試網