材料失效分析案例分析

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金属材料失效分析案例PPT

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案例四：金属材料脆性断裂失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形，无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生电化学反应，导致表面氧化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介质的共同作用下发生脆性断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐蚀介质的共同作用下发生疲劳断裂。
03
案例三：金属材料热疲劳失效
失效现象描述
金属材料表面出现裂纹
疲劳断裂，即在交变应力的作用下发生的断裂
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疲劳断裂通常发生在应力集中的部位，如缺口、裂纹或表面损伤处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
感谢您的观看
THANKS
金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降，容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由于材料内部存在缺陷或应力集中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧性下降，容易发生脆性断裂。

失效案例分析

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b.氢致开裂（HIC）
在钢的内部发生氢鼓泡区域，当氢的压力继续增高时，小的鼓泡裂纹趋向于相互连接，形成有阶梯特征的氢致开裂。氢致开裂发生不需要外加应力（载荷应力、残余应力），故从概念讲不属于应力腐蚀破坏范畴。
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c.硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）
• 硫化氢在液相水中，由于电化学的作用，在阴极反应时生成氢原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性增加（氢原子渗透到钢的内部晶格，在亲和力的作用下生成氢分子，钢材晶格发生变形，材料韧性下降，脆性增加），在外加拉应力或残余应力的作用下形成开裂。
2、焊接裂纹有不同的特性，要根据不同的裂纹产生机理及形式选择检测的时机与方法，提高检验的有效性。
• 延迟裂纹 • 液化裂纹
3、对于易产生焊接裂纹的钢种，一旦发现裂纹，应扩大检验比例。
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案例1：反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂
某石化炼油厂，2010年大修检验发现，反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂。主要原因：
P≤0.008%、Mn≤1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒负荷拉伸试验。
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在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管道应符合下列要求：
铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；
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湿硫化氢环境分类（NACE 8X196）一类：不选用抗HIC钢，可不做热处理二类：可选抗HIC钢，要进行热处理三类：选用抗HIC钢，要进行热处理

失效分析典型案例分享--镍腐蚀

先在电路板裸铜表面反应沉积形成一层含磷7-11%的镍镀层，厚度约35um，再于镍表面置换一层厚度约 0.05-0.15um的纯金层。
沉锡
沉银
无铅喷锡
（Immersion Tin) (Immersion silver) (Lead free HASL)
OSP
在电路板裸铜表面在电路板裸铜表在电路板裸铜表在电路板裸铜表面沉积形成一层平整面经化学置换反面经化学置换反经热风整平形成一而致密的有机覆盖应形成一层洁白应形成一层洁白层较光亮而致密的层，厚度约0.2而致密的锡镀层，而致密的银镀层，无铅覆盖锡合金层， 0.6um，既可保护厚度约0.7-1.2um。厚度约0.15-0.4um。厚度约1-40um。铜面，又可保证焊
表面易被污染而影响焊接性能
表面易被污染，银面容易变色，从而影响焊接性能和外观
表面处理温度高，可能会影响板材和阻焊油墨的性能
表面在保存环境差的情况下易出现 OSP膜变色，焊接不良等
电镍金后还经过多道后工序，表面处理后若受到污染易产生焊接不良
成本很高
完成沉锡表面处理后如再受到高温烘板或停放时间较长，则可导致沉锡层的减少
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富磷层
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金属材料失效分析案例

精品文档
3 分析
(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分合格，主要性能指标也基本正常。
(2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征，裂纹扩展属穿晶走向。
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(3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安装时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是松配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部，根部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑移带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展，最终造成根部疲劳断裂。
疲劳断裂。
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材料失效分析
班级：XXX 组员：XXX
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案例漳平电厂1号机叶片断裂失效分析
1、背景
2 检查、试验
2.1宏观检查2Biblioteka 2 断口微观检查2．3化学成分
2．4硬度测试
2．5 冲击试验
2．6 金相检查
3 分析
4 结论
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1、背景漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为：拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运行。2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998 年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂的原因，我们开展了一系列精的品文失档效分析工作。

失效分析案例讲解

原始资料收集及失效件初步检查
枪管加工工艺枪管材料：30CrNi2WVA 军工钢(GJB) 长：111 mm 内径：9mm 壁厚：115 mm (内壁镀铬,有6条膛线) 原材料由φ42 mm的棒材通过锻造改拔成φ28 mm 的棒材,然后经以下工艺流程制成枪管成品: 下料→调质→深孔钻→电解抛光→挤丝→去应力→ 机加工→热处理→校直→机加工→酸洗(去除氧化膜) → 镀铬→打高压弹→磁粉探伤→检验→入成品库
失效机理分析及模拟验证模拟验证试验
取20根与断裂枪管同状态的枪管进行校直模拟试验,对枪管施加约1 t的压力使其变形,然后进行校直(以上工艺与实际校直工序相同),校直后进行磁粉探伤,没有发现裂纹,因此断裂不是由于校直裂纹扩展引起的。探伤后,所有样品放在酸洗液(去除氧化膜酸溶液)中浸 30 min,取出后清洗并放置24 h,然后再次进行探伤, 5根枪管出现了裂纹,长度在0.5-1cm之间,裂纹源在校直压点截面的两侧,两侧均有裂纹产生。对裂纹枪管进行高压试验,枪管马上断裂,其断口的宏观、微观形貌与失效件基本一致,说明裂纹是由应力腐蚀引起的。
断口分析断口宏观分析
宏观断口观察发现裂纹源在枪管内表面阴、阳线的交界线上,裂纹扩展部分有明显的放射条纹,裂纹以裂源为中心呈弧形向外扩展,最终断裂部位有明显的剪切唇。用显微镜观察裂纹,发现裂纹源部分有约0.02 mm深的渗铬层(图5白色部位),明显大于整体渗铬层深度(0.01 mm),说明枪管在内膛镀铬前已经产生了裂纹。
失效件初步检查
断裂枪管的裂纹都出现在管中部(图1),即进行校直时的压点处。裂纹源在枪管内壁阴线与阳线的交界线上,成曲线向外扩展,裂纹长度在410cm左右。根据断口的宏观形貌 (图2),可发现断口为脆性断口,裂源区、扩展区和瞬断区分明。

失效分析实例

材料失效分析
材料失效分析
2、实验过程
• 图7 .58是两个断口表面的低倍放大照片，图7. 59 和这两个端口表面的位置和方向。在照片中分辨出两个明显的区域：外表面，即承受载荷时的最大纤维应力区，没有发生尺寸改变的迹象，而在中心区域则看到一些尺寸改变。此外在表面上有一些明显的塑性变形，应该是发生最后断裂的地点。 • 将钳柄上的塑料套剥掉以曝露钳柄的区域。钳的前部镀铬，直至塑料套的边缘。钳柄的表面上有一层乌黑的物质，该钳必定是要装塑料套后再进行电镀的。表面上的乌黑层或是塑料套留下的，或是一种热处理造成的。 • 目视检查后，分三步进行分析以决定失效的原因。首先评价对改签剪线操作的设计应力水平，之后对所用材料及热处理工艺进行金相检验，最后利用扫SEM对断口进行仔细的检验
材料失效分析
3、实验结果
• 断口形貌
低倍放大的断口形貌如图7.28所示，没有宏观塑性变形的迹象。裂纹从左边缘向内扩展通过厚度1/4左右，断裂表面粗糙无规律，而其余的断口表面是光滑的，在光滑的表面上可以看到贝壳状花纹，故断裂模式是疲劳。粗糙的断口表面显示出这是最后因超载而分离的区域并向前扩展到一个孔的边缘，表明疲劳裂纹不是起源于此孔的边缘，而是沿着右边缘的。这一点在观察断口表面时也就是在切开试样之后得到证实。贝壳状条纹的弯曲部分表明疲劳裂纹直接起源于另一螺栓孔的下面(图7 .29)，与围绕该螺栓孔的同心圆槽重合 • 在接近末端处偏离开其中之一螺棒孔的断口表面已严重研磨（但仍能看到有贝壳状花纹）（图7. 28）而另一端则很少的磨损伤，并发现有疲劳条纹（图7.31）（疲劳条纹在显微组织复杂的钢中不常出现。本案例中的显微组织主要是晶粒尺寸均匀的单相铁素体。）试块切开后产生的断口表面如图7 .32所示，且有韧窝状的形貌，表面这个区域是因空洞聚集而产生的 •

失效分析案例

失效分析实例
案例3 3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢热锻模具淬火开裂原因分析 1 背景 2 检验内容及结果
2 1 原材料化学成分 2 2 硬度测定 2 3 断口形貌
(1)宏观检查 (2)断口微观检查 2. 4 显微组织分析 3 讨论 4 结论
1、背景某厂选用3Ｃｒ2Ｗ8Ｖ钢制造热锻模具用于锻造 25钢的齿状零件,模具加工成型后外部尺寸为500ｍｍ ×250ｍｍ×115ｍｍ,模具质量为110ｋｇ。在同一模具上
开出预锻和终锻两个型腔，加工时发现模具毛坯锻件硬度偏高,采用ＨＲ150型洛氏硬度计测试硬度为30ＨＲＣ。为便于加工,该厂将模具进行了一次降低硬度退火,但温度和时间已无纪录。加工后的模具由本厂进行热处理,淬火加热炉采用箱式电阻炉。为防止氧化,在模具周围填充旧渗碳剂加以保护。模具淬火时先采用500℃、850℃两次预热,后经1050℃×4ｈ保温,冷却介质选用Ｎ15号机油。淬火过程中听到模具开裂声音,随即停止冷却,并放在 630℃回火炉中回火,回火时裂纹继续扩展使模具成为多个碎块。由于发现模具开裂, 中止继续回火。
图6的金相组织表明,奥氏体晶粒粗大,马氏体粗大,属于明显的过热现象。但模具表层细瓷状断口(图2、3)和细小晶粒(图5),属于正常的淬火组织。分析认为:厂方在加工模具时,发现锻件的硬度偏高,曾经进行一次降低硬度退火,但退火保温时间不够,仅使表层重结晶细化,因此出现了表层的细晶粒和细瓷状断口。
2 3 断口形貌
(1)宏观检查模具横向多处断裂,裂纹特征有直裂纹、弯折裂纹和圆弧裂纹,
在模具碎块的横断面表层可观察到有约30ｍｍ细瓷状断口,见图2。断口内部有山脊状扩展形貌,放射线中心朝向模具心部,表明裂纹源形成于模具心部。心部为粗晶状断口,有十分明显的金属光泽。上述特征可以判定该模具的开裂是由心部脆性解理断裂引发的。

fmea失效模式分析案例

fmea失效模式分析案例FMEA失效模式分析案例。

在产品设计和制造过程中，我们经常会遇到各种潜在的失效模式和效应分析（FMEA）的问题。

FMEA是一种系统性的方法，用于识别和评估产品或过程中可能出现的失效模式，以及这些失效模式对系统性能的影响。

本文将通过一个实际案例来介绍FMEA的应用和分析过程。

案例背景：某汽车制造公司在新车型的设计阶段进行FMEA分析，以识别潜在的设计缺陷和改进方案。

在这个案例中，我们将以发动机的设计和制造过程为例进行FMEA 分析。

失效模式识别：首先，我们需要识别可能的失效模式。

在发动机设计和制造过程中，可能的失效模式包括但不限于，磨损、材料疲劳、润滑系统故障、燃烧不完全等。

针对每一种失效模式，我们需要评估其可能性、严重性和检测难度。

可能性评估：针对每种失效模式，我们需要评估其发生的可能性。

例如，对于磨损这一失效模式，可能性评估可以考虑材料选择、工艺控制、使用环境等因素。

严重性评估：每种失效模式对系统性能的影响程度不同，我们需要评估其严重性。

例如，发动机磨损可能导致性能下降，甚至损坏其他部件，因此其严重性较高。

检测难度评估：对于每种失效模式，我们需要评估其在设计和制造过程中的检测难度。

例如，润滑系统故障可能需要通过传感器监测和故障诊断来进行检测。

改进方案：在评估了可能性、严重性和检测难度之后，我们需要制定相应的改进方案。

例如，针对发动机磨损这一失效模式，可以考虑改进材料选择、优化润滑系统设计等方案。

实施和监控：最后，我们需要实施改进方案，并持续监控失效模式的发生情况。

通过持续的FMEA分析，可以及时发现和解决潜在的问题，确保产品质量和性能。

结论：通过FMEA失效模式分析，我们可以识别潜在的失效模式，评估其可能性、严重性和检测难度，并制定相应的改进方案。

这有助于提高产品的质量和可靠性，减少故障率和维修成本，提升客户满意度。

总之，FMEA是一种非常有效的方法，可以帮助我们识别和解决产品或过程中可能出现的失效模式，提高产品质量和性能，降低成本和风险。

零件失效分析作业不锈钢管点蚀

304不锈钢管的点蚀失效案例分析窦建城一、案例介绍本案例讨论的是某食品机械公司的一套管壳式冷凝器，其中空心冷却管材质均为304不锈钢。

使用一段时间后，发现有多根冷却管在焊缝处或者管材本身发生点蚀现象，点蚀孔穿透管材本身，孔的形状为不规则圆形，半径≤3mm。

冷却管中所通的冷却液为无色透明状，管材外壁光亮如新，但是管材内壁有大量浅黄色沉积物。

经现场用硝酸银溶液（AgNO3）对工作时流经管内的冷却液进行滴定，明显产生大量的白色AgCl沉淀，由此可以证明工作环境中氯离子的存在。

为了证明CL-离子对304不锈钢的腐蚀作用进行了一系列的实验。

二、304不锈钢介绍304不锈钢（是一种通用性的不锈钢材料，防锈性能比200系列的不锈钢材料要强。

耐高温方面也比较好，一般使用温度极限小于650℃。

304不锈钢具有优良的不锈耐腐蚀性能和较好的抗晶间腐蚀性能。

对氧化性酸，在实验中得出：浓度≤65%的沸腾温度以下的硝酸中，304不锈钢具有很强的抗腐蚀性。

对碱溶液及大部分有机酸和无机酸亦具有良好的耐腐蚀能力。

三、宏观形貌对该304不锈钢管腐蚀样品进行宏观检查，样品表面光亮，直径φ15mm的空心圆柱，但在管材中部以及侧断面有明显的点蚀现象，点蚀孔穿透管材本身，孔的形状为不规则圆形，半径≤3mm。

图1 304不锈钢管外观形貌四、金相与X射线荧光能谱仪分析1.金相分析将该样品切割为20mm的长度的试样，并将圆柱表面压平，方便进行金相显微镜观察，首先借助砂纸除去试样表面的杂物，再使用金相砂纸对试样逐级抛光，用无水乙醇对抛光表面清洗，烘干后，用王水腐蚀。

最后用金相显微镜观察样品点蚀孔处的显微组织，并通过对304不锈钢的金相分析，来研究是否也存在应力腐蚀裂纹。

图2为试样表面所拍金相照片，可以明显的看到试样表面存在多个黑色点蚀孔。

图2 试样表面金相照片2.X射线荧光能谱仪分析X射线荧光能谱仪。

是对被测试样中所含元素进行定性定量分析最为准确的仪器之一。

材料失效案例分析

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连杆颈表面拉伤的机理分析连杆颈与连杆瓦是一对摩擦副。在曲轴正常运转的情况下, 连杆颈与连杆瓦之间有一层润滑油薄膜起润滑作用, 并将两个摩擦表面隔开。检验发现, 该曲轴笫三连杆颈表面无润滑油,连杆颈与连杆瓦之间呈现较为严重的干摩擦现象。在润滑失效的情况下, 两个摩擦表面的金属直接接触, 便产生粘着磨损。

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失效的类型
断裂失效：断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。变形失效：所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。磨损失效：磨损是指金属或合金的两个相互紧密结合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。腐蚀失效：腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。
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失效分析的步骤
在进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。
原始资料的收集
碎片（或断片）的选择与保存
失效部位分析
化学、力学、物理等试验分析
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综合分析
发动机零件失效案例分析
发动机是使用极其广泛的动力机械, 零部件处于不同工作条件下, 往往产生不同的失效形式。即使是同一零件, 产生相同的失效形式, 也可能是不同原因引起。下面列举几个列举几个发动机零件失效案例并进行分析。
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气缸套材质的金相分析根据《内燃机高磷铸铁缸套金相检验》标准,对该气缸套材质中的石墨、珠光体基体及磷共晶进行了检验。石墨形状示于图11a, 呈菊花状, 合格。珠光体基体示于图11b, 呈粗片状, 属合格范畴。
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材质中的磷共晶是决定高磷铸铁力学性能的关键组织, 可从磷共晶的分布及组成上来分析。图12a所示为磷共晶分布的金相照片, 磷共晶的网孔直径较大, 最大可达0.43 mm , 磷共晶呈较为严重的枝晶分布, 增加了材质的脆性。图12b为珠光体基体上分布的磷共晶 (白亮块状物)金相照片。在200 g载荷下测定了珠光体基体及磷共晶的显微硬度, 分别为255HV0.2 和 1038HV0.2。

螺纹紧固件失效分析案例(第5部分)

13. 网架螺栓断裂原因分析对一个M39×131的网架螺栓在服役中发生断裂的原因进行分析。

螺栓由40Cr钢制造，并经调质热处理。

一、外观螺栓断裂处位于杆部的第二个螺扣牙根处。

螺栓断裂部位未见塑性变形，断口有部分锈蚀。

二、断口图1为螺栓断口的宏观照片。

图1 断口宏观形貌断口可明显分成三个区。

Ⅰ区为无明显花样的光滑区；Ⅱ区为呈海滩花样的条带区；Ⅲ区为最后断裂区——瞬断区，该区平面与螺栓轴线大体呈45°角，属于剪切断裂区。

由断口特征可以判断，螺栓断裂属于弯曲疲劳断裂。

为了更清晰的观察断口三个区的形貌，将三个区进行局部放大观察（图2）Ⅰ区 Ⅱ区（其中白道为滑伤）Ⅲ区图2 断口三个特征区的局部放大形貌8×由照片可见，Ⅰ区为疲劳裂纹萌生及缓慢扩展区。

螺纹在螺纹根部高应力集中区首先诱发裂纹，在周期交变应力的作用下，螺纹反复张合，产生摩擦挤压，因而形成光滑断面。

在该区裂纹起始部位（图中箭头所指），可见大量细小台阶，说明疲劳裂纹的产生是多源的，此系在缺口应力集中时疲劳裂纹产生的典型形貌特征。

Ⅱ区为疲劳裂纹快速扩展区，其形貌特征为有明显的且平行的海滩状前沿线，此系裂纹扩展时周期性伸展与停歇而留下的痕迹。

该区约占断口总面积的2/3。

Ⅲ区为最后断裂区，断口粗糙灰暗。

该区的形成为裂纹扩展至一定程度后（Ⅱ阶段结束），剩余断面不堪承受外力作用，瞬时被拉断的结果。

Ⅰ区和Ⅱ区占整个断口面积的90％以上。

三、低倍、金相组织1.夹杂图3为螺栓材料中的非金属夹杂物，主要为球状不变形氧化物，评定为3级（GB 10561-1989）。

图3 夹杂物100×2.金相组织螺栓材料的金相组织为调质索氏体＋部分断续网状铁素体和针状铁素体（魏氏组织）（图4）。

100× 500×图4 螺栓材料金相组织四、初步分析意见1.螺栓的断裂属于弯曲疲劳断裂。

螺栓在服役过程中承受了单向弯曲交变应力（或者说双向弯曲交变应力，但其中一侧的应力远大于另一侧）。

失效分析大赛比较好的例子

失效分析大赛比较好的例子近两年时间，我校八位参赛选手围绕工程实践出现的材料失效难题，在老师的指导下开展了大量研究性实验，阐明了材料失效机制并提出解决方案。

邱xx、姜xx两位本科生围绕钼合金超高温防护问题，对硅化物涂层失效过程进行了剖析，创新性地添加适量氧化钇稳定氧化锆（YSZ）大幅提升了涂层使用寿命，夺得本科生组一等奖；陶xx、黄xx两位博士研究生聚焦“三元锂离子动力电池材料失效机理与直接再生研究”，探索了退役三元锂离子电池正极材料的失效原因，通过除杂、补锂、高温再生以及原位包覆等方法对退役的三元正极材料进行改性及直接再生，再生后材料循环和倍率性能大幅度提升。

获得大赛专业组一等奖；陈xx、刘xx两位博士研究生开展“压力容器用钢抗硫化物应力腐蚀开裂研究”，探索了压力容器用钢在硫化氢环境下的失效机理，提出了针对性改进措施，使其抗硫化氢应力腐蚀效果得到明显改善，顺利通过了中石化炼化项目验收。

获得了大赛专业组二等奖；庞xx、熊x两位硕士研究生研究。

Cu-20Ni-20Mn合金的腐蚀失效行为，并通过添加适量Al元素与合适的热处理工艺使得合金耐腐蚀性大幅提升，在海洋工程应用中展现出良好应用潜力，获得大赛硕士生组三等奖。

据悉，全国失效分析大赛是一项面向高校材料、机械及相关专业在校生和相关行业企业工作者的全国性竞赛活动，旨在培养出更多高素质的失效分析人才，助力中国工程质量提升，建设安全中国。

举办失效分析大奖赛的宗旨是通过分析工程失效案例，引导高校教师在教学中注重培养学生的学习能力、创新能力、动手能力、知识运用能力和语言表达能力。

此次大赛的举办，为全国材料学科大学生搭建了一个互相交流和学习的平台，一方面通过大赛可以展示自己的能力和水平，另一方面可以比赛促交流，以交流促发展，以发展促创新，通过互相观摩学习，吸纳他人的优点，不断提升自我，从而为国家经济和文明建设贡献自己的力量。

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S 0.005 0.013 ≤ 0. 03
与标准规定的化学成分相比，模具的化学成分中V 含量低于
标准含量的下限成分，而Si含量处于标准含量的上限。
②硬度检测
测量部位裂纹附近模具芯部模具表面硬度值/HRC 45 45.5 45.5
由表可得，模具钢各部位的硬度基本均匀一致。取部分失效模具试样进行冲击试验，不同试样的平均冲击韧度α KV 仅为4. 76 J /cm2，远低于常规H13 钢在室温时冲击韧度( 一般应达到 25 ～35 J /cm2 )
金元素含量相比，其裂纹源附近的V含量偏低，而Si含量偏
高。无论是锻后退火态，或者是最终热处理态的模具钢中都存在带状组织和块状组织，表明该模具钢中的化学成分和显
微组织不均匀，致使模具的力学性能尤其是冲击韧度降低，
是造成模具早期失效的主要原因。
谢谢！
平均值 45.5
试样编号冲击韧度值( J/cm2 )
1 5.05
2 3.75
3 5
4 4.75
5 5.25
平均值 4.76
③断口宏观形貌
模具的断裂失效部位形貌如图所示。
模具型腔未发现热磨损痕迹，没有明显
塑性变形发生，未发现龟裂，也未发现加工刀痕的痕迹，失效模具呈现两条相
交的宏观裂纹，呈“T”字型，其中一
H13钢Байду номын сангаас锻模具早期失效分析
材料科学与工程1101
xxxx
xxxx
背景
检验内容及结果讨论结论
背景
检验内容
①原材料化学成分 ②硬度测定 ③断口形貌 1)宏观检查 2)微观检查 ④显微组织分析
①原材料化学成分
从模具的裂纹源附近提取样品，用碳硫分析仪及等离子体光
谱仪进行模具材料的化学成分分析，结果如下：
条横向贯穿模具。根据裂纹的位置和方向，可以判断横穿整个模具的较长的一
条裂纹最先形成，阻止了较短一条裂纹
向前扩展，故较长的为主裂纹，较短的为次裂纹。
断口微观形貌
从图中解理台阶及解理扇形花样可以判断该失效模具钢的
断裂机制为解理断裂。
④失效模具微观形貌
对失效模具切割、取样，进行金相制样，用4%硝酸酒精腐蚀后观察其显微组织如图，从图中可看出失效模具钢中存在块状的不均匀组织。
处理( 球化退火) 不良所致，这也是造成该模具失效的最重要
原因。
该失效模具宏观上以劈裂的形式断开，断口呈现明显的人
字条纹及放射线花样，表明裂纹的扩展是不稳定的、快速的;
微观上可见解理台阶和解理扇形花样，具有解理断裂的典型特征。由此判断其失效形式为脆性断裂，失效机制为解理断裂。
结论
汽车曲轴热锻模具所用H13钢化学成分与标准中规定的合
测量位置 C Si Mn Cr Mo V P 模具基体 0.412 1.13 0.371 4.77 1.54 0.791 0.025 裂纹附近 0.483 1.21 0.365 4.75 1.5 0.452 0.025 标准值（GB/T 1299—2000) 0.32~0.45 0.80~1.20 0.20~0.50 4.75~5.50 1.10~1.75 0.80~1.20 ≤0.03
a) 纵截面
b) 横截面
讨论
从合金元素的分析结果来看，H13模具钢中Si含量偏高而
V含量偏低。由于汽车曲轴的锻造过程中，模具温度可能远
超过500 ℃，过高的Si含量将促进回火过程中晶间碳化物粗化，恶化钢的抗热疲劳性能。因此，这是造成H13模具早期失效的重要原因之一。
由失效模具微观形貌可知，该模具钢的锻后退火态存在大块不均匀组织，可以推断，这是由于模具钢的锻造及预备热