ZG20SiMn铸件的脆性断裂分析
2013-12-03宋勇
宋 勇
(大连华锐重工集团股份有限公司,辽宁 大连 116013)
0 前言
ZG20SiMn因其强度高、塑性与韧性好而被广泛用于水压机立柱、横梁、工作缸、水轮机转轮、冶金车辆各种车轮等构件。多年的使用证明,在正常使用条件下服役不会出现脆性断裂。
某ZG20SiMn大型铸件在吊运过程中 (已经过热处理),在距地面约800mm处意外坠地而开裂。为查明铸件失效原因,通过对两种缺口及裂纹试样的示波冲击试验和金相观察,分析了失效ZG20SiMn铸件脆性裂变的原因,并提出了改进措施。
1 材料的原始状态及检验方法
从工艺和生产制造过程两方面对失效材料进行分析。该件的热处理工艺为:890℃正火580℃回火,保温12小时。
整个热处理过程及记录曲线符合工艺要求,没有发现异常现象。
取自失效的ZG20SiMn铸件断口附近与铸件附体试块作为试验用料。化学成分见表1,冲击试样尺寸为10 mm×55 mm,其中缺口分别为标准V型缺口、R=0.1 mm线切割缺口、失效铸件裂纹,深度均为2 mm。冲击试验采用Ciem-3-D-cpc型电子测量冲击试验机。对断口附近试样进行了重新热处理,其工艺为:930℃,0.5~3h,空冷:640℃,500 min。对热处理前后的试样进行了金相观察。
表1 试验用钢的化学成分Tab.1 Chemical composition of steel under test
2 试验结果及分析
2.1 示波冲击试验
示波冲击试验结果见表2。图1为冲击试验的载荷-挠度曲线示意图。由图1可知,冲击吸收功大致由两部分组成:一部分为裂纹形成功即启裂功,主要消耗在试样的弹性变形、塑性变形及裂纹形成;另一部分为裂纹扩展功,主要消耗于裂纹前沿 (the front of cracks)微观塑性变形和裂纹扩展。因此冲击吸收功的大小并不能完全反映材料的韧脆性质,而其中的塑性变形功,尤其是裂纹扩展功才真正影响材料的韧脆性质。
图1 冲击试验的载荷一挠度曲线Fig.1 Load-deflection curve of impact test
表2 示波冲击试验结果Tab.2 Result of the oscillographic impact test
由表2可知,失效铸件V型缺口、R=0.1 mm缺口与实际裂纹三种试样的裂纹扩展韧性均较低,无明显差别,表明材料断裂前塑性变形能力较小,一旦出现裂纹将很快扩展断裂。
V型缺口试样的启裂韧性明显高于R=0.1 mm缺口和裂纹试样的启裂韧性,而R=0.1 mm缺口和裂纹试样的启裂韧性几乎相同,这表明材料有明显缺口的敏感性。表2还表明,重新热处理后的冲击韧性高于标准要求,附体试块与本体取样冲击韧性差别较大。
2.2 金相观察
失效ZG20SiMn铸件的金相组织为铸态魏氏组织如图2所示,表明虽然热电偶指示温度符合正火工艺要求,但铸件断裂部位实际温度并未达到指示温度,图3为重新热处理后的正常组织。
对铸件断口的电子探针分析表明,无氮化铝存在硫化物+氧化物混合夹杂2~3级,主要分布在晶界上,少量在晶内,符合标准要求。电子探针分析还表明,铸件在断裂之前表面已存在裂纹,但如果材料韧性好也不会导致材料低应力脆断。因而失效铸件脆性的主要原因是正火温度不够或保温时间不足,未能完全消除铸态组织,存在残余铸造内应力。
经过以上分析认为:
(1)铸件开裂的根本原因在于铸件没有真正实现完全奥氏体化,材料内部保留有大量的铸态魏氏体组织;
(2)铸件的正火温度偏低,没有达到超过Ac3线50℃以上的要求;
(3)铸件体积、吨位、壁厚都很大,造成铸件表面温度达到奥实体化温度,但是铸件内部温度没有达到规范要求,没有实现奥实体化,即没有真正达到热处理目的,是造成铸件开裂的直接原因。
3 改进措施
根据以上原因分析,针对该件做如下工艺调整
(1)提高正火温度,达到910℃;
(2)根据《GBT9452-2003热处理炉有效加热区测定方法》对热处理炉进行炉温均匀性测定;
(3)将升温速度降低到75℃/h以下;
(4)延长保温时间,达到16小时。
经过测定炉温均匀性,将该件在检测效果好的热处理炉中进行重新处理,然后进行相应的检验。具体结果见表3。
表3 改进后铸件机械性能Tab.3 Mechanical properties of test cast after secondary heat treatment
本体金相检验结果如图4所示。
图4 改进后铸件金相组织Fig.4 Metallographic structure(500×)of cast after secondary heat treatment
该金相组织为典型的铁素体+珠光体组织,属于该类材质的典型组织,并且晶粒度达到8级,属于细晶组织。通过重行的性能热处理彻底消除了原始的魏氏体组织,达到了预期目的。
4 结束语
失效铸件呈脆性的主要原因是正火温度不够及保温时间不足,导致晶类粗大,铸态组织未完全消除。经重新热处理,其冲击韧性提高,组织正常,符合标准要求。
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