分享：S136钢模具断裂的原因

摘 要:某S136钢模具在服役过程中产生断裂失效。通过化学成分分析、断口分析、显微组织 观察及硬度测试,分析了该S136钢模具断裂的原因。结果表明:S136钢模具的断口主要以韧窝形 貌为主,韧窝中可见大量颗粒状碳化物,晶界位置出现少量微裂纹;S136钢模具的显微组织为回火 马氏体,晶界处分布着大量微米级碳化物颗粒;碳化物硬度约为11GPa,基体硬度约为5GPa;综 合分析表明,S136钢模具断裂的原因是其晶界处存在的大量碳化物,导致材料脆性增加。

 关键词:S136钢模具;碳化物;断裂 

中图分类号:TG157                    文献标志码:B                       文章编号:1001-4012(2021)11-0037-03

模具是制造业的基础工艺装备,也被称为“制 造业之母”。模具生产技术水平的高低,已成为衡 量一个地区制造水平高低的重要标志[1]。目前, 全世界模具市场规模超过1000亿美元,其中日 本、德国、美国、意大利等发达国家凭借其先进的 模具生产技术、卓越的设计能力和技艺精良的工 人,在全球模具行业保持领先地位,我国模具制造 业产值占全球的三分之一。S136模具钢因其良好 的耐蚀性、镜面抛光性能与热疲劳性能得到广泛 应用[2]。但是,热处理工艺不合理会使S136钢模 具产生各种缺陷,从而在服役过程中产生断裂失 效[3]。本研究中的 S136钢模具是以压铸或锻压 成型方法制造的,S136钢模具在锻造加工成型过 程中出现开裂,针对断口处进行了一系列理化检 验,以避免该类问题的再次发生。

1 理化检验 

1.1 化学成分分析 

采用 MAXx16-M 型火花直读光谱仪测定该失 效S136钢模具的化学成分,结果见表1。经过查阅 对比发现该钢模具的化学成分符合S136钢模具成 分与一般S136钢模具成分差异不大[4-5]。

1.2 断口分析 

采用FEIQuantaFEG250型扫描电镜对该失 效S136钢模具断口进行宏观和微观观察。金属零 件的断裂过程大概分为裂纹萌生、裂纹亚稳态扩展 及失稳扩展三个阶段[6-7]。分析模具断裂的失效机 制,判断裂纹产生的位置最为关键。如图1所示,该 失效S136钢模具的断口凹凸不平,断口表面未见 明显缺陷。进一步对图1方框处断口开裂源区域进 行微观形貌观察。由图2可知,断口未见夹杂物和 折叠等缺陷,断口表面主要以韧窝形貌为主,有轻微 的河流状解理特征,韧窝内存在大量颗粒状碳化物, 晶界处可见少量微裂纹。 

1.3 显微组织观察 

在失效S136钢模具断口截取试样,依次使用 丙酮溶液与酒精溶液对试样进行超声清洗,以去除 试样表面的附着物,对试样进行镶嵌、抛光后,分别 用由2.5mL硝酸+45mL酒精配制的硝酸酒精溶 液和由25mL乙醇+25mL盐酸+5g氯化铁配制 的盐酸氯化铁对试样进行擦拭腐蚀,采用 Leica DM2500M 型金相显微镜对其表面进行观察。

如图3a)和图3b)所示,其晶粒为等轴晶,晶粒 尺寸为20~30μm,晶粒内部与晶界处均分布着碳化物颗粒,且晶界处的碳化物颗粒较多。硝酸酒精 腐蚀性较弱,所以S136钢模具的显微组织形貌不 够清晰。如图3c)和图3d)所示,S136钢模具的显 微组织主要为回火马氏体[8],在马氏体晶粒内部及 周围均可见大量白色碳化物颗粒,碳化物尺寸为 0.5~3μm。

1.4 硬度测试 

采用 HR-150A 型洛氏硬度仪,随机在 失 效 S136钢模具表面选取六个位置进行硬度测试,其洛 氏 硬 度 分 别 为 54.1,54.2,54.2,53.9,54.1, 54.2HRC,失效 S136模具钢的硬度较高,略大于 S136模具钢的正常硬度(52HRC)。 

采用 MTSG200型纳米压痕仪,在S136钢模 具表面40×40μm2 区域内、测试点按照20×20矩 阵进行表面硬度测试,并绘制硬度分布图,结果如图 5所示。由图5可见,S136模具钢的硬度为4~ 6GPa,平均硬度约为5GPa,碳化物所在区域硬度 异常高,硬度约为11GPa。 

2 分析与讨论 

S136钢模具的化学成分均符合一般要求。该 失效模具用钢的显微组织为回火马氏体,硬度约为 54HRC,组织中存在大量微米级碳化物。碳化物 硬度约为11GPa,基体硬度约为5GPa,晶界位置碳化物分布较多,这弱化了晶界的强度,导致材料脆 性增加。断口分析表明:晶界位置可见少量微裂纹, 这进一步验证了碳化物弱化晶界,导致晶界处在外 力作用下形成微裂纹。在S136钢模具压铸或锻压 成型过程中,模具受到外界载荷作用,碳化物分布较 多的晶界因强度较低而产生微裂纹,裂纹进一步扩 展导致模具整体开裂。综合以上分析,S136钢模具 断裂的原因是其晶界存在的大量碳化物,导致材料 脆性增加。 

3 结论 

S136钢模具断裂的原因是其晶界处存在的大 量碳化物,导致材料强度降低脆性增加,在外部载荷 作用下萌生裂纹并扩展。

参考文献: 

[1] 雷淑梅,肖艳艳,匡同春,等.S136钢塑料模具开裂失 效的电子探针分析[J].电子显微学报,2010,29(6): 535-539. 

[2] 左倩,刘剑,兰乔,等.塑料模具钢S136与Fs136的退 火/淬火组织及力学性能对比[J].材料热处理学报, 2016,37(12):93-99. 

[3] 金林奎,周斌,欧海龙,等.S136钢塑胶外壳模具使用 开裂失效分析[J].锻压技术,2018,43(10):122-128, 140. 

[4] 谢俊堂,郭联金,金林奎.S136钢塑料模零件开裂失 效分析[J].模具工业,2019,45(6):64-69. 

[5] 郭联金,金林奎,李会玲,等.S136钢模具早期开裂原 因分析[J].理化检验(物理分册),2019,55(3):204- 208,213. 

[6] 张静武.金属塑性变形与断裂的 TEM/SEM 原位研 究[D].秦皇岛:燕山大学,2002. 

[7] 李心刚,郭凯,翟新年,等.Z6CNT18-10奥氏体不锈 钢扩散管在蒸汽疏水环境中的疲劳开裂特征[J].理 化检验(物理分册),2019,55(5):294-297. 

[8] 邹龙江,戚琳,史淑艳,等.3Cr13钢柴油循环泵主轴 断裂失效分析[J].金属热处理,2020,45(7):202- 205. 

<文章来源> 材料与测试网 > 期刊论文 > 理化检验－物理分册 > 57卷 > 11期 (pp:37-39)>