摘 要:某鐵路車輪鍛壓過程中其下芯棒頻繁發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學成分分析、掃描電 鏡分析、金相檢驗、硬度測試等方法,分析了下芯棒斷裂的原因。結(jié)果表明:下芯棒R 角尺寸偏小, 在下芯棒工作時,R 角處因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂。對倒角部位的尺寸進行優(yōu)化,可以避免下芯棒 發(fā)生斷裂。
關(guān)鍵詞:下芯棒;斷裂;R 角;應(yīng)力集中
中圖分類號:TB31;TG315.2;TG115.2 文獻標志碼:B 文章編號:1001-4012(2023)01-0072-03
輾鋼車輪生產(chǎn)工藝包括較大的塑性變形,該工 藝有助于提高產(chǎn)品的質(zhì)量,是車輪制造廠采用的主 要生產(chǎn)工藝。輾鋼車輪成形的工序為:預(yù)成形→成 形→軋制擴徑→壓彎沖孔[1]。車輪成形所用鍛壓力 較大,模具結(jié)構(gòu)復(fù)雜,各模具受力較大。下芯棒是車 輪 成 形 工 序 所 用 的 重 要 模 具 之 一,材 料 為 5CrMnMo鋼,在車輪成形過程中,下芯棒的主要作 用是分配車輪金屬。
某廠作用的下芯棒模具頻繁發(fā)生斷裂,導(dǎo)致車 輪生產(chǎn)線停產(chǎn),造成重大經(jīng)濟損失。筆者采用宏觀 觀察、化學成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢 驗、硬度測試等方法,分析了下芯棒的斷裂原因,并 提出預(yù)防措施,以避免該類事故再次發(fā)生。
1 理化檢驗
1.1 宏觀觀察
斷裂下芯棒的宏觀形貌如圖1所示,可見下芯 棒從R 角處裂開,被撕裂成多塊。下芯棒尺寸及斷裂位置如圖2所示。
在下芯棒斷口處取樣進行宏觀觀察,結(jié)果如圖 3所示。由圖3可知:斷裂為多源脆性斷裂,裂紋源 起始于下芯棒R 角區(qū)域;裂紋由下芯棒R 角處向內(nèi) 擴展,裂紋快速擴展區(qū)的面積最大,導(dǎo)致芯棒斷裂為 多塊[2]。
1.2 化學成分分析
在斷裂下芯棒上取樣,用直讀光譜儀進行化學 成分分析,結(jié)果如表1所示,可見下芯棒的化學成分 符合 GB/T1299—2014 《工模具鋼》對5CrMnMo 鋼的要求。
1.3 SEM 分析
在下芯棒斷口處取樣,用SEM 進行分析,結(jié)果
如圖4所示。由圖4可知:斷裂起源于R 角處表
面,斷裂起源處局部區(qū)域呈沿晶斷裂;脆性區(qū)部分晶
粒內(nèi)部呈脆性解理斷裂,晶界附近有韌窩形貌;斷
口絕大部分區(qū)域為快速擴展區(qū),微觀形貌為準解理
斷裂;斷口上未見明顯夾雜物等原始冶金缺陷,未發(fā)
現(xiàn)明顯的其他缺陷。
1.4 硬度測試
采用洛氏硬度計對下芯棒R 角處的斷面進行
硬度測試,結(jié)果如表2所示,可見R 角處的斷面硬
度都符合設(shè)計要求,未見異常。
1.5 金相檢驗
在下芯棒斷口處取樣,并進行金相檢驗,結(jié)果如 圖5所示。由圖5可知:斷裂起源處可見一些微裂 紋,起源處未見冶金缺陷,裂紋內(nèi)未見夾雜物;試樣 顯微組織不均勻,可見黑白區(qū),黑區(qū)顯微組織為索氏 體,白區(qū)顯微組織為貝氏體;試樣內(nèi)部可見鋸齒形裂 紋,裂紋內(nèi)未見非金屬夾雜物,裂紋處沒有發(fā)現(xiàn)明顯 的缺陷;斷口的裂紋擴展形式為穿晶斷裂,判斷為 脆性斷裂。
2 綜合分析
由上述理化檢驗結(jié)果可知,下芯棒的化學成分、
硬度及顯微組織等都符合相關(guān)標準及技術(shù)要求。對
下芯棒的服役環(huán)境進行調(diào)查可知,在車輪成形的鍛
壓和脫模過程中,下芯棒都承受著瞬間大沖擊載荷。
下芯棒是由芯棒桿體與尾部組成的階梯軸式工件,
桿體與尾桿之間有較大的尺寸變化,在芯棒尾部受
力時,發(fā)生尺寸變化的位置會產(chǎn)生應(yīng)力集中。下芯
棒多次在R 角處發(fā)生斷裂,可推斷出下芯棒R 角處
是應(yīng)力集中區(qū),R 角處一旦萌生裂紋,在多次受力
的情況下,裂紋會快速擴展,最終導(dǎo)致下芯棒斷
裂[3-6]。
3 改進措施
對于階梯軸類的工件而言,在其他條件相同的
情況下,工件過渡圓角半徑與軸半徑之比越小,階梯
兩側(cè)尺寸變化越大,有效應(yīng)力集中因數(shù)越大,工件對
應(yīng)力集中越敏感[7]。采用增大尾桿直徑以及過渡圓
角半徑等方法,可以減小應(yīng)力集中對下芯棒尾部壽
命的影響。對下芯棒R 角尺寸進行優(yōu)化設(shè)計,將倒
圓角半徑由2mm改為10mm,可以避免下芯棒在
R 角處的應(yīng)力集中。經(jīng)過現(xiàn)場實際使用,改進后的
下芯棒未再次發(fā)生斷裂。
4 結(jié)論與建議
下芯棒的化學成分、硬度、顯微組織等均符合要 求。下芯棒斷裂原因為:R 角尺寸偏小,在R 角處 產(chǎn)生應(yīng)力集中導(dǎo)致下芯棒發(fā)生斷裂。下芯棒為多源 脆性斷裂,裂紋由下芯棒R 角處向內(nèi)擴展。
對下芯棒R 角處尺寸進行優(yōu)化,減小R 角半
徑,可以避免再次發(fā)生該類芯棒斷裂事故。
參考文獻:
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<文章來源>材料與測試網(wǎng) > 期刊論文 > 理化檢驗-物理分冊 > 59卷 > 1期 (pp:72-74)>