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试论机械构件裂纹形成原因及断口特征分析

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  【摘 要】随着国民经济的飞速发展和现代科学技术的进步,各种机电设备的复杂程度提高和大量应用,设备和人身事故也随着不断增加。因此各类事故的失效分析、产品质量检验、仲裁检验和司法鉴定方面工作不仅数量大量增加,而且由于涉及学科较多,技术难度也更大。断裂和裂纹与腐蚀一样是机械构件主要的失效形式,断裂是构件最危险的一种失效形式,而裂纹是构件断裂的主要因素。因此,掌握各种裂纹的形成原因、宏观与微观断口特征非常重要。本文重要论述了构件常见的几种工艺裂纹形成原因。
中国论文网 http://www.xzbu.com/8/view-4478570.htm
  【关键词】裂纹;原因;断口
  1.铸造裂纹
  1.1热裂纹
  a、金属凝固过程中由于有害杂质在晶界处与金属形成低熔点共晶薄膜,降低了金属的强度和塑性,在收缩应力作用下形成裂纹(收缩裂纹),多发生于铸件心部,沿晶扩展,有明显的脱碳现象,裂纹尖端较圆钝。裂纹内可见夹杂物;断口为沿晶开裂,有时可见明显的偏析、疏松和孔洞;晶粒表面有自由表面特征,可见鹅卵石花样,有时可见到非金属夹杂物或共晶花样。
  b、铸模模腔内壁表面涂料与熔融金属发生化学反应,在晶界处生成硅酸盐与金属低熔点共晶,造成铸件表面龟裂。裂纹为沿晶,裂纹内可见硅酸盐夹杂物,裂纹尖端较圆钝,裂纹两侧有轻微脱碳现象;断口为沿晶,晶粒表面有自由表面特征,有时可见到硅酸盐夹杂物或共晶花样。
  c、由于模腔内壁表面有网状裂纹,钢液进入网状裂纹起钉扎作用,影响铸件自由收缩,形成龟裂,该龟裂是沿晶,裂纹两侧金属轻微脱碳,但晶粒表面没有或很少有夹杂物。另外,铸件设计不合理,在冷却过程中收缩受阻,或者铸件壁厚相差悬殊,冷却严重不均匀,在铸件应力集中处易形成裂纹。裂纹为沿晶,轻微脱碳,尖端较圆钝,但晶粒表面没有或很少有夹杂物。
  1.2冷裂纹
  铸件在较低的温度下形成的裂纹,是由于热应力和组织应力较大造成的。多发生于应力集中部位,金相观察为穿晶扩展,裂纹两侧金相组织与基体金相组织相同,没有脱碳现象,裂纹尖端较尖。断口为穿晶,多为解理和准解理断裂,断口呈银白色或轻微氧化色。
  2.锻造裂纹
  2.1热裂纹
  a、过烧。由于锻造前加热温度过高造成晶界氧化,形成表面龟裂。过烧主要发生于棱角处或壁厚较薄处。金相观察裂纹为网状沿晶开裂,裂纹内有氧化物,裂纹两侧有明显脱碳。过烧严重时,金属呈豆腐渣状。断口观察,为沿晶,晶粒表面有厚厚的氧化皮。
  b、热脆。钢中S含量较高,锻造加热时在奥氏体晶界处FeS与Fe形成低熔点共晶,在较低的温度熔化,锻打时形成裂纹。裂纹呈龟裂状。金相观察为沿晶开裂,晶表有氧化,裂纹内有硫化物。断口观察,为沿晶,晶粒表面看见硫化物共晶花样。如果锻件加热燃料含硫较高,引起硫向金属内渗透,可引起锻件表面龟裂。
  c、铜脆。当钢中含有较高的Cu(0.2%以上),由于Cu比Fe化学性质稳定,在高温时发生选择性氧化,钢表面Fe氧化生成氧化铁,Cu不氧化沉淀于氧化皮下,在Fe与氧化皮之间形成一薄层Cu膜,并沿奥氏体晶界向钢中扩散。含Cu钢材加热温度越高,加热时间或次数越多,Cu层越厚。在1100℃左右时Cu熔化,锻造时形成网状裂纹。宏观观察锻件受拉表面可见网状裂纹。金相检验可见氧化皮下有Cu层,Cu沿原奥氏体晶界向钢中扩散,裂纹是沿原奥氏体晶界扩展。电镜观察,断口为沿晶,晶粒表面可见Cu颗粒。
  d、停锻温度过低,锻件变形能力下降或有第二相析出,以及锤击过重使锻件变形太激烈等都会造成锻件沿晶界或两相交界面开裂。开锻温度过低或开锻锤击过重会造成沿柱状晶界产生对角线开裂。裂纹为沿晶,有时断口上可见较密集的第二相,有氧化和脱碳现象。
  2.2冷裂纹
  a、锻轧前加热保温时间不足,心部未热透,高合金钢心部碳化物偏析严重,锻轧时易形成从心部向外放射的裂纹。裂纹多为穿晶或沿碳化物界面开裂,有轻微脱碳。断口为解理或准解理,有的可见碳化物碎片。
  b、一些尺寸较大或合金含量较高的钢锻件锻后冷却不当或锻后需预备热处理而未及时进行热处理的,由于相变产生的组织应力、冷却过快产生的较大热应力与锻造变形产生的形变残余应力迭加,也会造成锻件开裂,断裂在锻后一段时间内发生。这种裂纹一般多发生于应力集中部位,较直,较长,有的开口较大。裂纹尖端较尖,裂纹两侧金相组织与其他部位相同,没有脱碳现象,裂纹为穿晶。断口为解理或准解理,呈银白色,无氧化现象。
  c、白点(发裂或发纹)是由溶解氢和组织应力共同作用形成的裂纹。裂纹发生的温度较低,多位于锻件心部,裂纹细而短,多条呈放射状或无规律分布。奥氏体转变温度较低的含Cr、Ni、Mn低合金钢锻后未及时进行消氢处理时易于发生。金相观察,发裂裂纹细长,穿晶扩展,尖端较尖,无脱碳和氧化现象。断口宏观观察,为圆形或椭圆形亮白点,白亮点稍高于或低于周围金属。电镜观察白点为解理或准解理断口,有时断口形貌呈流水状。
  d、锻轧拔件在加工过程中出现的划痕、折叠,以及铸锭皮下气孔未消除干净等引起锻裂缺陷。划伤多与表面垂直,较直较长,尖端较圆钝,有时两侧看见金属变形,划痕内常夹有氧化物,断口表面可见碎块状氧化物,细的平行拉痕,无断裂特征;折叠一般与锻件表面成锐角,两侧有严重脱碳,内有碎块状氧化物,尖端较圆钝,断口上有氧化物碎块堆积,无断裂特征。铸锭皮下气孔未消除干净引起锻裂缺陷一般长度较短,垂直锻件表面。原气孔部分有时可见氧化和脱碳,断口无断裂特征,扩展部分为穿晶,无氧化和脱碳,尖端较尖,断口多为解理。划痕和折叠在锻造过程中也可能扩展形成裂纹,扩展裂纹的形态应与皮下气孔的相同。
  3.热处理裂纹
  (1)淬火龟裂。表面脱碳的高碳钢零件在淬火时,由于表面层金属比容小,在拉应力作用下产生龟裂。裂纹位于脱碳层,沿晶扩展,有轻微氧化。
  (2)过热裂纹。由于淬火温度过高,造成过热或过烧,使晶界弱化或氧化,在热应力和组织应力作用下,在表面形成网状裂纹。裂纹多发生于应力集中处(过热)或棱角处(过烧),沿晶扩展。过热裂纹有轻微氧化,过烧裂纹氧化和脱碳均较严重。
  (3)淬火直裂。细长杆件在心部完全淬透的情况下,由于热应力和组织应力共同作用下发生的纵向直线裂纹。多发生于应力集中处或夹杂处,裂纹为穿晶,尖端较尖,裂纹两侧无脱碳现象。准解理断口,表面轻微氧化。
  (4)热处理应力裂纹。加热速度过快和冷却速度不当造成零件内外温差和组织应力过大而引起的裂纹。裂纹在外表面张口稍大,向里则较细,尖端尖锐,多为穿晶,也有沿晶或混合断裂,裂纹两侧金相组织相同。无脱碳和氧化现象。断口呈银白色或有带颜色的薄膜,穿晶断口为准解理断裂。
  (5)淬火延迟裂纹。工件淬火后停留较长时间而未及时回火,淬火残余应力和停留期间发生相变的组织应力共同作用下造成工件突然开裂。裂纹平直,张口较大,尖端较尖锐,多为穿晶开裂,也有沿晶或混合断裂。断口呈银白色,较细腻平坦,穿晶断口为准解理。
  (6)由于化学热处理、化学成分偏析,或由于存在内孔、沟槽、缺口处淬火时冷却速度较小,造成金相组织不均匀,形成较大的组织应力和热应力,在淬硬组织和未淬硬组织的过渡处形成裂纹。裂纹多呈弧形,穿晶开裂,尖端较尖锐,无脱碳和氧化现象,有时可见金相组织严重不均匀现象。断口呈银白或有带颜色的薄膜,穿晶断口为准解理断裂。
  (7)在含氢气氛加热淬火工件时也会发生氢致裂纹,裂纹的金相和断口特征与焊接氢致延迟裂纹相同。

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