摘 要:某鐵路車輪鍛壓過(guò)程中其下芯棒頻繁發(fā)生斷裂。采用宏觀觀察、化學(xué)成分分析、掃描電 鏡分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)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(shí),R 角處因應(yīng)力集中而發(fā)生斷裂。對(duì)倒角部位的尺寸進(jìn)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(hào):TB31;TG315.2;TG115.2 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:B 文章編號(hào):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?yàn)?預(yù)成形→成 形→軋制擴(kuò)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(guò)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(jì)損失。筆者采用宏觀 觀察、化學(xué)成分分析、掃描電鏡(SEM)分析、金相檢 驗(yàn)、硬度測(cè)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(yàn)

1.1 宏觀觀察

斷裂下芯棒的宏觀形貌如圖1所示,可見(jiàn)下芯 棒從R 角處裂開(kāi),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(jìn)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(kuò)展,裂紋快速擴(kuò)展區(qū)的面積最大,導(dǎo)致芯棒斷裂為 多塊[2]。

1.2 化學(xué)成分分析

在斷裂下芯棒上取樣,用直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué) 成分分析,結(jié)果如表1所示,可見(jiàn)下芯棒的化學(xué)成分 符合 GB/T1299—2014 《工模具鋼》對(duì)5CrMnMo 鋼的要求。

1.3 SEM 分析

在下芯棒斷口處取樣,用SEM 進(jìn)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?yàn)榭焖贁U(kuò)展區(qū),微觀形貌為準(zhǔn)解理 斷裂;斷口上未見(jiàn)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(cè)試

采用洛氏硬度計(jì)對(duì)下芯棒R 角處的斷面進(jìn)行 硬度測(cè)試,結(jié)果如表2所示,可見(jiàn)R 角處的斷面硬 度都符合設(shè)計(jì)要求,未見(jiàn)異常。

1.5 金相檢驗(yàn)

在下芯棒斷口處取樣,并進(jìn)行金相檢驗(yàn),結(jié)果如 圖5所示。由圖5可知:斷裂起源處可見(jiàn)一些微裂 紋,起源處未見(jiàn)冶金缺陷,裂紋內(nèi)未見(jiàn)夾雜物;試樣 顯微組織不均勻,可見(jiàn)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(jiàn)鋸齒形裂 紋,裂紋內(nèi)未見(jiàn)非金屬夾雜物,裂紋處沒(méi)有發(fā)現(xiàn)明顯 的缺陷;斷口的裂紋擴(kuò)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(yàn)結(jié)果可知,下芯棒的化學(xué)成分、 硬度及顯微組織等都符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)及技術(shù)要求。對(duì) 下芯棒的服役環(huán)境進(jìn)行調(diào)查可知,在車輪成形的鍛 壓和脫模過(guò)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(shí),發(fā)生尺寸變化的位置會(huì)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(huì)快速擴(kuò)展,最終導(dǎo)致下芯棒斷 裂[3-6]。

3 改進(jìn)措施

對(duì)于階梯軸類的工件而言,在其他條件相同的 情況下,工件過(guò)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(duì) 應(yīng)力集中越敏感[7]。采用增大尾桿直徑以及過(guò)渡圓 角半徑等方法,可以減小應(yīng)力集中對(duì)下芯棒尾部壽 命的影響。對(duì)下芯棒R 角尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),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(guò)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際使用,改進(jìn)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(xué)成分、硬度、顯微組織等均符合要 求。下芯棒斷裂原因?yàn)?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(kuò)展。

對(duì)下芯棒R 角處尺寸進(jìn)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(xiàn):

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