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H13 大型挤压模具分流桥断裂失效分析

2014-11-19 10:08| 发布者: 虫儿飞| 查看: 2793| 评论: 0|来自: 中国电镜网

摘要: 某大断面 H13 铝型材挤压模具经过短期服役后,模具分流桥根部发生断裂,在原材料和制造过程未见异常的基础上,围绕材料的性能、组织、化学成分和失效件断口等对该模具进行分析,结果表明,模具失效原因是由于热处理性 ...


1.2 断口微观观察

采用体积比 NaOHK2MnO4H2O=4315 的水溶液煮沸,去除断口夹杂物及残留的铝合金[2],待断口上的夹杂物清除后用稀 Na2CO3 NaHCO3 进行第一次清洗,然后采用蒸馏水第二次清洗,第三次采用酒精清洗然后后吹干待观察,利用扫描电镜进行断口微观分析;断口源区及扩展区典型形貌如图 3、图 4,源区为线性多源特征,可见棱线由裂纹源向内扩展放射。由图 4 可见,裂纹源断口较为平齐,平台宽度约为 156 μm,颜色发暗,未见夹杂等冶金缺陷,从而表明该模具分两次使用,在第一次挤压过程中裂纹源区就产生了热疲劳裂纹,扩展区裂纹是在上次使用产生裂纹的基础上进行扩展的,经调查与分析相符合,断口干净无附着物;裂纹扩展区形貌见图 5,在扫描电镜下观察扩展区存在大量二次裂纹,并呈现沿晶开裂特征;图 6 为瞬断区形貌,未见韧窝特征,同样存在二次裂纹,并沿晶开裂为典型脆性断裂。分析二次裂纹产生主要是模具受到较大热应力而产生的,由扩展区和瞬断区沿晶开裂的形貌分析,怀疑该模具钢的晶粒度粗大,后续对其失效模具钢进行晶粒度检测。

1.3 模具受力分析

分流模的工作原理是,在挤压机挤压力的作用下,金属被迫向着挤压杆运动的方向流动,经过分流孔时被分流,然后汇集于下模的焊合室,在高温高压的作用下,金属在焊合室内被重新焊合起来形成模芯为中心的整体材料,最后通过模芯与模孔所形成的间隙流出,得到符合一定尺寸要求制品[1]其挤压压力模拟如图 7 所示,由铸棒到模具压力逐渐增大。上模所承受的载荷力是挤压杆通过金属坯料加载在上模上的力,受力情况如图 8,在挤压过程中,由于力学条件是随着金属体积、金属与挤压筒之间的接触表面状态、接触摩擦力、挤压温度速度范围以及其他条件变化而不断发生变化,在整个挤压过程中,上模所承受的载荷变化幅度相当大,且挤压机在加载挤压力时只需要几秒钟的时间,在短暂的时间内模具所承受载荷发生急剧变化,受到冲击作用。另外由于更换铝锭时需要间歇的停止挤压操作,在工作时间和非工作时间,使得模具长时间在周期性变化的载荷下工作,这种情况属于动载荷。试验结果和理论分析表明,在零件尺寸突然改变的截面上,应力分布是不均匀的,在挤压分流桥位置应力达到最大 705MPa,由此可见,模具断裂位置在模具分流桥根部与模芯过渡区,截面尺寸发生很大变化,在该部位产生应力集中对模具的断裂有严重影响。




1.4 力学性能分析

从失效分流桥的其它部位截取力学拉伸试样,分别做室温、高温拉伸,而高温拉伸采用 520℃,试验结果如表 1,根据相关资料表明一般合金结构钢屈强比要求 0.84-0.86,该 H13 模具钢室温下的屈强比为 0.76 屈强比偏小;而屈强比大小主要由热处理工艺决定的,屈强比越大,说明可靠性越高,屈强比越小,表示其抗变形能力较强,但易发生脆性破坏。


1 力学性能分析结果

Table 1 Results of mechanical property analysis


1.5 硬度及冲击性能检验

设计要求模具热处理后硬度为 44~46 HRC,对断裂分流桥进行硬度检测,其结果为 41~42 HRC,硬度略低于设计要求。由模具钢硬度随温度和时间变化曲线(图 8[6]可知,硬度为 45 HRC 的模具在使用温度 550 ℃、工作 100 h 的情况下,硬度约下降为 42 HRC,该失效模具总工作时间不超过20 h,硬度变为 41~42 HRC,由此判断可能是热处理后材料的硬度偏低。如果模具使用温度在 550~600℃,模具的硬度随使用时间的延长下降很快,其性能也迅速下降,已知在挤压前模具预热 500±10 ℃,铸锭加热 525±5 ℃,挤压过程中模具产生大量的热以及铸锭向模具进行热传递,模具温度开始升高,而挤出型材只带走很少一部分热量,由此分析模具工作温度至少在 550℃以上,模具在如此高温下工作硬度下降得非常快,所以必须严格控制挤压工艺参数的合理性,这对模具的使用寿命非常重要。冲击试验在摆锤能量为 300 J,最大摆角为 150° ZBC2302-3 金属摆锤冲击试验机上进行,做 3 个冲击试样(图 8),冲击韧性为 18 J/cm2

 



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