铸件缺陷有很多种,但从失效分析角度看,可归纳为两类:一类为破坏材料连续性的缺陷,如材料中的孔洞、裂纹等;另一类是因材料成分或生产工艺不当,造成不正常的缺陷组织。
1.孔洞
孔洞一般指存在于材料内部的具有三维空间形貌的缺陷。孔洞破坏了材料的连续性,引起断裂的孔洞一定会在失效件的断口上显示。
材料中的孔洞可能有以下两种情况:
(1)缩孔 液态金属凝固时,要发生很大的体积收缩。若凝固过程中不断有液态金属补充,则不会在材料内部形成缩孔。铸件缩孔一般会在最后凝固的部位形成。
(2)气孔 液态金属中气体溶解度比固态金属大得多,液态金属中溶入气体量多,在凝固时,便有气体形成气泡排出,此时如气体来不及从尚未凝固的液态金属中排出,便会以气孔的形式留在固态金属内部。
气孔是液态金属中的气泡在凝固时形成的,铸件中气孔大都呈球形或椭球形,表面光滑。判断是气孔还是缩孔可从孔洞外形和内壁表面光滑与否来确定。
缩孔和气孔都使材料致密度降低,对材料冶金质量构成影响,有时虽不能成为失效的直接原因,但却可能促进失效的发展。
2.裂纹
裂纹无论存在于构件的表面或内部,都会破坏金属的连续性,在传递应力时会在裂纹顶端造成应力集中。铸件中的裂纹分为热裂纹和冷裂纹,都属于体积收缩裂纹。
(1)热裂纹 液态金属凝固时,要有较大的体积收缩,凝固后的金属在冷却过程中也会有冷却的先后,后冷却部分受已冷却部分的牵制使进一步收缩受到约束而产生内应力,这种情况在铸件和焊缝中都会出现。当这一内应力过大时,就会出现裂纹。如果裂纹是在高温时形成的,则称为热裂纹。由于材料在高温时晶界强度低于晶内强度,故这种裂纹具有沿晶断裂的特征。在铸件中这种裂纹常出现在最后凝固部分,因之沿裂纹还可能伴有晶间显微缩孔和有害的低熔点杂质偏聚。当热裂纹与表面贯通时,裂纹表面有氧化色,这是判断热裂纹的主要依据。
热裂纹呈不规则形貌,有的呈不连续的曲线形态,起始部位较宽,呈开口状,尾部较细,裂纹断面有氧化色。热裂纹常发生在铸件的内圆角、壁厚变化部位等薄弱环节。
(2)冷裂纹 当铸件凝固至较低温度的弹性状态下,热应力和组织应力超过铸件强度极限时,导致铸件开裂所形成的裂纹称为冷裂纹。冷裂纹一般较规则,呈连续的细线条状,易发生在应力集中的内尖角、缩孔、夹杂部位以及结构复杂的大型铸件上。应力的大小与合金成分、组织、零件结构及冷却速度有关。
3.缺陷组织
铸件中对使用性能有害的显微组织包括脆性的晶界网状组织、形态不良的石墨以及表面缺陷组织,如脱碳及热处理工艺不正确产生的不良组织等。
(1)晶界网状组织 铸件中有时会出现晶界网状碳化物组织,这是在较慢的冷却速度下通过奥氏体温度范围时形成的。这种组织会降低铸件的塑性和韧性,而且碳化物的高脆性为裂纹扩展提供了一个低阻力通道。
(2)石墨 在灰铸铁、球墨铸铁和可锻铸铁件中,石墨的尺寸、形状和分布情况对铸件性能起到决定性作用。
4.铸造缺陷引起的失效案例
案例1 履带板断裂失效分析
(1)概况 某公司生产的履带板,在使用过程中,多片履带板发生断裂失效。履带板主要工艺流程为:铸造→水韧处理→机械加工→装配。
(2)检查结果与分析
1)宏观检查。断裂履带板外观形貌及断裂位置如图6-40所示。断裂发生在里侧连接臂及主动销耳位置处(图6-40中箭头所指),连接臂、主动销耳及边销耳与主体已经断裂分开。主体上的两处断口形貌:图6-40中箭头所指1处断口在连接臂与中间销耳连接处,断口粗糙,呈柱状晶分布,且柱状晶接触线较明显,中心部位有肉眼可见的缩孔,箭头1处断口形貌如图6-41所示;图6-40中箭头所指2处断口在主动销耳与板体基体连接处,断口表面部分已磨损发亮,箭头2处断口形貌如图6-42所示。
图6-40 断裂履带板外观形貌及断裂位置
图6-41 箭头1处断口形貌
图6-42 箭头2处断口形貌
2)履带板的化学成分和基体硬度均符合相关技术条件规定。
3)金相检查。主动销耳位置的组织正常。连接臂部位的组织为奥氏体+沿晶碳化物+块状碳化物+针棒状碳化物,基体组织如图6-43和图6-44所示,基体存在缩松现象。断面沿晶界扩展,断面附近的零件表面有沿晶界分布的裂纹,局部有张开的裂纹。
图6-43 基体组织(一)
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图6-44 基体组织(二)
连接臂组织宏观形貌如图6-45所示。连接臂部位组织晶粒较粗,柱状晶明显,有缩孔现象,基本无细晶区和等轴晶区。主动销耳组织宏观形貌如图6-46所示。主动销耳部位组织较连接臂部位组织明显细小。
图6-45 连接臂组织宏观形貌
图6-46 主动销耳组织宏观形貌
(3)讨论 从组织状态及铸件结构分析,连接臂部位靠近铸件的浇注冒口部位,为高温的钢液浇注入口,砂箱温度升温较大,同时由于冒口金属的影响始终保持高温状态,导致连接臂部位冷却速度缓慢,因此有较多的碳化物在晶界及晶内析出。随后的水韧处理碳化物未完全消除,在零件基体中仍残留大量的析出时基本形态的碳化物。连接臂部位组织为呈柱状晶的奥氏体+沿晶碳化物+块状碳化物+针棒状碳化物。碳化物的存在严重破坏金属晶界的结合力,增加基体的脆性,在受力过程中极易发生沿晶脆性开裂。
从受力状态分析,车辆平稳行驶过程中,履带板仅受前后牵引作用(即垂直于销耳孔且平行于履带板体方向的作用力),连接臂部位基本不受牵引力作用。当车辆行驶在综合路况不佳的情况下,履带板局部受到路面垂直于履带平面向上传递的作用力。当这个作用力作用在连接臂处时易导致连接臂的断裂失效。
(4)结论 连接臂部位组织不佳是导致履带板在受到较大外力时于该处发生断裂失效的主要原因。
案例2 支座铸件裂纹原因分析
(1)概况 某公司生产的支座铸件,宏观形貌如图6-47所示。主要工艺流程为:铸造→切冒口→调质处理→喷砂。在喷砂后发现3个炉次的零件都有开裂现象,其中1个炉次的零件几乎全部有裂纹。
(2)检查结果与分析
1)宏观检查发现,支座的冒口部位有明显的切割痕迹,裂纹位于零件的冒口部位,有两条基本平行的裂纹,裂纹形态如图6-48所示。裂纹位于零件的一个平面内,侧面没有扩展,从外观看裂纹有焊合的痕迹。将裂纹打开发现,断面呈蓝黑色和黄褐色斑斓分布,有红色的锈蚀痕迹,沿裂纹分离后的断口如图6-49所示。
2)化学成分符合相关技术条件规定。
3)金相检查发现,裂纹深度约为23mm,基本沿晶扩展,两侧有氧化皮和网状氧化现象,如图6-50所示;裂纹尾部圆钝,内有氧化皮,如图6-51所示;裂纹两侧有脱碳现象,如图6-52所示;基体组织有较严重的偏析现象。
图6-47 宏观形貌
图6-48 裂纹形态
图6-49 沿裂纹分离后的断口
图6-50 裂纹两侧网状氧化现象
图6-51 裂纹尾部形貌
图6-52 裂纹两侧脱碳现象
(3)讨论 从宏观分析可以看出,零件裂纹在切冒口前就已存在,在切冒口加热时裂纹表面被氧化成蓝黑色,仍有结合的部分区域未被氧化,在后续热处理过程中分离并被氧化成黄褐色。
从显微分析中可以看出,裂纹尾部圆钝,说明裂纹非淬火裂纹;并且裂纹两侧有网状氧化现象,具有典型的高温氧化特征,说明裂纹在高温区长时间存在,被环境氧化性气氛氧化;同时裂纹两侧有脱碳现象,甚至裂纹尾部也存在脱碳,由于脱碳一般是在奥氏体相变点以上的温度才能够形成,这有力地证明了裂纹是形成于淬火加热之前。从裂纹形态及裂纹两侧的氧化脱碳现象判断,裂纹具有铸造热裂纹的特征。
综上所述,零件裂纹形成于淬火加热之前,并且是在切冒口之前就存在的铸造热裂纹。
(4)结论 支座铸件裂纹属于铸造过程中形成的铸造热裂纹。
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