卡盘T型块断裂原因分析

1、忖盘T型块断裂原因分析1理化检验1. 1卡盘T型块材质化学成分检验:在断裂的卡盘T型块上取样，用能谱仪对其进行成分分析，结果如图1 所示：re?.< -KCIY11.40.7o.tIjD* ZWS.M i.ttEDO t.tt itJit HX图1断裂卡盘T型块的能谱分析图图1是断裂卡盘T型块的能谱分析图，从图1可见断裂卡盘T型块材质主 要由铁(Fe)元素组成，其次是少量的碳(C)元素和微量的(Si,Cr,Mn)元素组成。表1断裂卡盘T型块的化学成分%兀素FeCCrMnSi含量96.101.870.800.740.49表1是断裂卡盘T型块的化学成分，由表1可知铁(Fe)元素占96.10%

2、、碳(C) 元素占1.87%、其余元素(Si,Cr,Mn)都是微量元素。由图1和表1可以推断断裂卡盘T型块的材质是低碳钢，而且其它微量元素 并没有超标。1.2卡盘T型块金相组织分析图2是扫描电镜拍摄的断裂卡盘 T型块的显微组织照片，从图2可以看到 断裂卡盘T型块的显微组织是回火马氏体组织，这说明断裂卡盘 T型块零件经 过了淬火、回火的热处理过程。A陈旧断口陈旧断口S3400 iS.OkV 10 4mni 也 00k SE 12/23/200& 15:1320. Ou in图2断裂卡盘T型块的显微组织1.3.断裂卡盘T型块的硬度测试使用洛氏硬度计对断裂卡盘 T型块进行硬度测试，载荷为 1

3、50公斤力，加 载时间为15秒，测试结果表2如下：表2硬度测试值（HRC）测试部位心部边缘硬度值3137由表2可知断裂卡盘T型块的硬度值边缘为HRC37、心部为HRC31。这个 硬度值与前面成分分析的结果以及相符。进一步说明断裂卡盘 T型块使用的是 普通的低碳钢。1.4卡盘T型块断口分析1.4.1卡盘T型块宏观断口分析图3卡盘T型块两个断面图3是卡盘T型块两个对应部位的 断裂表面，在图3中，箭头所指的地方 较其它部位颜色深，有锈迹的颜色，它 是陈旧断口区，其它部分是新断口区。 陈旧断口区比较平坦，如细瓷状，新断 口区呈纤维状。因此，初步可以判断此 断裂是疲劳断裂。陈旧断口区应是裂纹 源及裂纹扩

4、展区，新断口区应是瞬时断 裂区。1.4.2卡盘T型块微观断口分析我们把图3中A区用扫描电子显微镜放大，观察其微观组织形貌，结果如 图4、图5、图6所示。二 JU I ! P2 OOmivA沁霉£/矗S340O 1S0kV 17 Imm x25 SE 12/22/2000 16:37S3400 15 0kV 17 Imm x的0 SE 12/22/2009 19 36 'lOOum图4 A区放大形貌图5内螺纹跟部形貌图7瞬断区的断口形貌L.葺5O.Ou(nP1OOu(n4/a;S3400 15 OkV SJ Ornm xMO SE 12/22/2W9 17 06 "僥

5、ye从图4可以看到，A区的起源部位置就是内螺纹处。 我们把内螺纹跟部附近 进一步放大，发现有疲劳辉纹，如图5所示。发现与疲劳辉纹垂直的方向指向内 螺纹跟部。这说明内螺纹跟部是裂纹的起源处。S3400 ISOkV 3G.7rrirri xi .00k SE 1/5/2fl10 10:0&图6 A区内放大的疲劳辉纹形貌图6是内螺纹跟部附近区域进一步放大，更清楚观察到的疲劳辉纹形貌。这 说明卡盘T型块断裂确是疲劳断裂。对A区以外的区域进行放大观察，断口形貌如图 7所示。从图7的断口形 貌可知，A区以外的区域是瞬断区，既最后断裂区，并且此断口沿晶断裂。2卡盘T型块受力分析根据卡盘T型块工作状态

6、，卡盘T型块工作时受力应该是扭转应力。图 8是卡爪的原始设计图，图9是我公司调试人员为了排屑流畅而改动的卡爪的设计 图。(147)8537-+_a5514：必啊 A吕曲 I C.11兀S巴二 L图8卡爪的原图纸C147>(T)I 104 A6±O,：nSGzIJ z : /匚 I7Cpm 一 ov R.,./B亡厂-11JU-ILrL _GWC.O 岂 OH口工 O4|a|1/'HHO 1o 1G"-LAOBtSl0图9调试人员改造以后的图纸30mm 变为120% 。从两个图对比看， 改动后，卡爪与卡盘断面的轴向长度由原来的65mm,这增加了卡爪夹紧工件时的力

7、臂，使卡盘 T型块受力增加了3 讨论与分析从成分分析看，卡盘 T 型块的化学成分属普通的低碳钢。HRC31。说从硬度测试结果看，卡盘T型块硬度值边缘为HRC37、心部为 明卡盘 T 型块零件进行了常规热处理。从显微组织分析看， 断裂卡盘 T 型块的显微组织是回火马氏体组织， 如图 2， 这说明断裂卡盘 T 型块零件经过了淬火、回火的热处理过程。与成分分析和硬 度测试结果相符的。从宏观断口观察可知，图 3 的 A 区是裂纹源和扩展区，因为这部分颜色较 深，表面光滑。 还可以观察到颜色较深区域所占面积较小， 而其它部分所占面积 很大，说明裂纹在裂纹源生成后， 受到了较大的循环应力作用。 裂纹向零件

8、内部 扩展，但扩展区较小区域后， 整个零件所受的应力就已经超过了零件的承载能力， 整个零件在工作较短的时间后迅速断裂。从微观断口观察可知，见图 5，在图 5 中我们看到了具有疲劳断裂特征形貌 疲劳辉纹， 根据疲劳断裂理论， 与疲劳辉纹垂直处即是疲劳裂纹源处。 所以可以 断定裂纹源是内螺纹的外缘处。 一般情况下， 在有应力集中的情况下， 疲劳裂纹 的核心常常产生在零件的应力最集中的部位，如机件的台阶建交、键槽、油孔、 螺纹、连接件的接头处。从卡盘 T 型块零件的结构看内螺纹处就是应力集中处。在内螺纹处先产生裂纹， 一是它本身是应力集中区； 另一个是由于制造零件 的材质是普通的低碳钢，它本身的强度

9、较低；再有，卡爪的设计发生了改变，如 图 8、图 9，卡爪设计发生改变后增加了卡爪夹紧工件时的力臂，使卡盘T 型块受力增加了 120%。这使得内螺纹处受力超过了极限屈服强度，先产生裂纹。产 生裂纹后，在较高的应力作用下裂纹不断向零件内部扩展，当卡盘 T 型块所收 应力大于承载能力时，整个零件就会瞬间断开，造成失效。最后瞬断区的微观形貌如图 7，它的断裂方式为沿晶断裂，这说明材料本身 非常脆，这与成分分析和硬度测试结果不相符。从零件化学成分看，卡盘 T 型 块是普通低碳钢， 普通低碳钢经过淬火、 回火后韧性较好， 断裂也应是韧性断裂 方式。分析原因有可能零件在热处理时发生了“第一类回火脆性” 。我们知道， 普通碳素钢的低温回火温度在 1500C-2500C 之间，“第一类回火脆性”产生的温 度范围是 2500C-3500C 之间，所以对本零件，如果回火温度稍控制不好，超过 25O0C,就产生回火脆性，使零件韧性降低，材料本身变脆。如果材质不变脆， 裂纹向内扩展的时间会长，也就是说，零件不会在很短的时间内断裂。综上分析，卡盘 T 型块发生低周疲劳断裂的原因是综合因素作用的结果。 首先，由于卡爪设计图纸的更改增大了卡盘 T 型块受力；其次，卡盘 T 型块是 普通低碳素钢材质，强度较低；再次，卡盘 T 型块回火温度没有控制好，出现 “第一类回火脆性”，造成材质变脆。上述三个因素共同作用的