Eksempel 01 / Sprakk ved koldstansforming
Bolteflensen er revnet som et nett:
Sporene tilbake til lamellær struktur og overflatehårdhet
En bolt ser normal ut på skaftet, men langs kanten av flensen oppstår det tynne sprekker etter koldstansingen. Når man støter på en slik situasjon, er det ofte ikke nok å bare spørre: «Er materialet for hard?»
I denne analysen ligger fokuset på at det i nærheten av overflaten har oppstått både unormale mikrostrukturer og økt hardhet. Ut fra dette foreslår vi at den lamellære strukturen sammen med mistenkt karbonberikelse i overflatesjiktet samvirket og svekket lokal deformasjonskapasitet, noe som førte til sprekkdannelse under koldstansingen av flensen.
Nedenfor vil vi klargjøre de funnene vi gjorde og redegjøre for denne sviktveien.
I. Bakgrunn for eksempelet: Kunde ber Creation Group om å analysere sprakkdannelse ved koldstansing
En fastgjøringsselskap produserer bolter ved hjelp av trådmaterialer levert av deres eksisterende leverandør. Under koldstansprosessen oppdaget de nettformede sprekker på flensområdet og engasjerte deretter Creation Group-gruppen til å bistå med analysen.
Kunden angir materialet som SCM435, med en tråddiameter på φ13,15 mm. Materialet i dette eksempelet ble ikke levert av Creation Group; Creation Group utførte analysen av de innsendte prøvene, mens opplysninger om kunde og leverandør er anonymisert.
Analysen bygger på prøvens ytre utseende, metallografiske bilder av tverrsnitt samt registreringer av mikro-Vickers-hardhet. Det foreligger imidlertid ingen opplysninger om originaltråden fra samme produksjonsserie, full varmebehandlingsprotokoll eller kvantitative resultater for karboninnholdet.
Utsnitt av sprekkene på flensområdet
På flensområdet av den innsendte prøven kan man se flere korte sprekklinjer som lokalt vever seg inn i hverandre.
II. Konstateringer: Den ytterste overflaten har ikke bare annen struktur, men også høyere hardhet
Mikrografiske bilder viser at det i nærheten av overflaten på den undersøkte tverrsnittet finnes tydelige områder med forskjellig mikrostruktur. De to merkede områdene har bredder på henholdsvis 78,56 μm og 105,64 μm, tilsvarende ca. 0,08–0,11 mm.
Ved forstørrelse kan man se at dette området inneholder tydelig skive- og stripeformet mikrostruktur, som skiller seg fra karbidenes utseende i det indre av materialet.
Mikrostruktur ved overflaten og lokale bredde-målinger
De to merkede områdene med strukturell forskjell representerer lokale målte bredder og er ikke direkte like med den fastslåtte karboninngangsdypen.
Mikrostruktur ved overflaten under høy forstørrelse
I overflatesonen kan man observere tydelige skive- og stripeformede strukturer; opprinnelig forstørrelse og målestokk er beholdt.
Mikrostruktur innvendig under høy forstørrelse
I sammenligning med figur 3 kan man studere karbidenes form og fordeling; lys-mørk-kontrast brukes ikke som direkte erstatning for analyse av karboninnhold.
Microhardheten gir ytterligere bevis. I henhold til testprotokollens angivelse av målepunkternes rekkefølge «fra ytterkant mot innvendig»:
Sammenligningspunkter Testprotokollen
Første målepunkt ved overflaten 260,5 HV0.1
To etterfølgende målepunkter 248,5 og 240,6 HV0.1
Gjennomsnitt for området 0,5–1,4 mm ca. 232,4 HV0.1
Forskjellen mellom første punkt ved overflaten og ovennevnte gjennomsnitt ca. 28,1 HV0.1
Den mikrostrukturelle forskjellen og økt hardhet bekrefter hverandre: Overflatelaget er ikke bare «noe mørkere på bildet», men fremstår med en annen struktur og mekanisk respons enn det indre materialet.
Testdata
Originaldata fra 15 mikro-Vickers-hardhetsmålinger
Hardhetskurve
Mikro-Vickers-hardhetskurve
Testingen ble utført under forholdene HV0.1, totalt 15 punkter. Dataene og kurven viser sammenhengen mellom hardhetsvariasjonene i de ulike målepunktene og måtte tolkes i sammenheng med deres plassering.
III. Første årsakspiste: Hvorfor oppstår skjørt struktur?
Målet med globuliserende utgløding er ikke bare å redusere hardhetsverdien, men også å oppnå en karbidform og -fordeling som egner seg for etterfølgende kaldforming.
Med hensyn til den observerte skjørtstrukturen vurderer vi i hovedsak to dannelsesveier: enten at eksisterende perlit ikke ble tilstrekkelig globuliseringsbehandlet, eller at det under kjøleprosessen etter oppheting igjen dannet seg perlit.
Den primære varmebehandlingsforklaringen vi fremsetter her, er at kombinasjonen av opphetingstemperatur, holdetid og kjøleprosess har vært uheldig, noe som har ført til at skjørt perlit har blitt igjen eller har dannet seg på nytt.
Hvis opphetingen foregikk innenfor området med delvis austenittisering, og temperaturen var for høy eller holdetiden ved denne temperaturen var utilstrekkelig, kan dette endre karbidenes oppløsningsgrad; dersom deretterkjølingen ikke favoriserer dannelse av kuleformede karbider, kan det igjen oppstå skjørt struktur. Selve globuliseringsprosessen innebærer både oppløsning av karbider ved oppheting og nedsedimentering ved nedkjøling, så man kan ikke se på bare én enkelt holdetidsparameter.
Derfor er det verken slik at «jo lengre holdetid, jo mykere blir materialet», eller at «har man først gjennomført en globuliseringsbehandling, er den garantert fullbyrdet». Til slutt er det mikrostrukturen som teller.
IV. Andre årsakspiste: Har atmosfæren i ovnen forsterket de unormale forholdene i overflatesjiktet?
Karbonberikelse av overflatesjiktet er en annen viktig prosessmessig årsaksantagelse som presenteres her.
Hvis atmosfæren i ovnen har en tendens til å berike stålet med karbon, kan det oppstå karbonberikelse i materialeoverflaten, noe som igjen endrer mengden, oppløsningen og omdanningsevnen til karbidene i dette området, og skaper forskjellige mikrostrukturer mellom overflaten og innvollen.
Dette kan komme i tillegg til anomaliene i globuliseringsprosessen: På den ene siden blir skjørtstrukturen enten ikke tilstrekkelig fjernet eller dannes på nytt, samtidig som karbonberikelsen i overflatesjiktet ytterligere påvirker lokal mikrostruktur og hardhet.
Det er imidlertid viktig å nevne en vesentlig forskjell: De foreliggende metallografiske og hardhetsresultatene underbygger denne forklaringen, men de kan ikke alene bevise at karboninnholdet faktisk har økt. Selv ved samme karboninnhold vil endringer i mikrostruktur, kornstørrelse og fordelingen av karbider påvirke materialenes egenskaper.
Derfor betraktes «atmosfærisk karbonberikelse» i dette tilfellet som en viktig prosessmessig hypotese, snarere enn et allerede kvantitativt validert testfunn.
V. Hvorfor viser det seg til slutt som nettformet sprekking i flensen?
Under formingen av flensen utvider materialet seg utover, overflatearealet øker, og det nærmeste overflatesjiktet må følge med og deformere seg sammen med det indre materialet.
Skjørtstrukturen og den lokalt noe hardere tilstanden indikerer at dette området responderer annerledes på deformasjon enn det indre. Under lokal strekk- og skjærforkramp kan det lett oppstå sprekker der hvor materialenes deformasjonskapasitet er utilstrekkelig.
Når formingen fortsetter, oppstår sprekker etter hvert på ulike svake punkter, sprekkene utvides i ulike retninger og knytter seg lokalt sammen, noe som kan resultere i en nettformet utseende.
I dagligtale: Innsiden forsøker å utvide seg, mens overflaten ikke klarer å holde tritt, og flere steder sprukker opp etter tur.
Den feilmekanismen vi foreslår her: Ufullkommen globuliserende varmebehandling har resultert i gjenstående eller pånydannet skjørt struktur; antatt atmosfærisk karbonberikelse har forsterket forskjellen i mikrostruktur og hardhet i overflatesjiktet; under cold heading-formingen av flensen oppstår det misforhold i lokal deformasjon, noe som fører til sprekking på flere steder.
Dette er den viktigste mekanismeforklaringen basert på de foreliggende data. De nåværende prøvetakingene er markert på skaftet, og observasjonene fra dette tverrsnittet kan foreløpig ikke direkte tolkes som at «vi allerede har sett at sprekkene i flensen oppsto fra det unormale laget».
6. Behandlingsfokus: Samtidig kontroll av varmebehandlingsprosessen og atmosfærestyringen
Når det er snakk om doble faktorer, kan ikke den videre behandlingen bare fokusere på ett enkelt hardverdital.
Først skal den faktiske varmebehandlingsprosessen verifiseres. Ved å sammenligne med de oppvarmings- og holdetemperaturer samt avkjølingskurven som materialet egentlig ble utsatt for, kan man avgjøre om lamellstrukturen enten ikke ble tilstrekkelig globulert eller om den har dannet seg på nytt under avkjølingen.
For det andre må atmosfæren og karbonfordelingen i overflatesjiktet undersøkes. Sammenlign atmosfæreregistreringene og utfør en korresponderende analyse av karboninnhold, struktur og hardhet fra overflaten og innover mot kjernen for råtråden fra samme produksjonsserie, for å bekrefte vurderingen om karbonberikelse i overflatesjiktet.
For det tredje skal justeringenes effekt verifiseres ut fra mikrostrukturen og formede resultatet. Det holder ikke å se bare på om den generelle hardheten har sunket etter justeringen; det er også nødvendig å undersøke om antallet lameller nær overflaten har redusert, om tilstanden mellom overflate og innvendig er mer jevn, samt å evaluere resultater fra kolddekningsprøving av tilsvarende produkter.
Eksisterende dokumentasjon inneholder ikke re-inspeksjonsrapporter eller masseproduksjonsnotater etter rettingen, derfor presenteres ikke ovennevnte tiltak som allerede vellykkede og verifiserte løsninger.
7. Konklusjon av caset
Den primære feilmekanismen i dette tilfellet konkluderes med at lamellstrukturer nær overflaten kombinert med lokalt herdet område har svekket materialets evne til å koordinere deformasjoner, noe som førte til nettformet sprekking under ekspansjonsfasen ved flenskolddekning.
Hva angår årsaken til disse unormale forholdene peker hovedfokuset mot en kombinasjon av ufullkommen globuliseringsvarmebehandling og mulig karbonberikelse i ovnsatmosfæren. Spesielt må de nøyaktige prosessene bak dannelsen av regenerert perlit og karbonberikelsen videre verifiseres ved hjelp av tilsvarende data fra råtråden, varmebehandlingen og atmosfæregistreringene.
Dette tilfellet viser at når vi vurderer kolddekningsmateriale, bør vi ikke kun spørre «hva er gjennomsnittshardheten?», men også ta stilling til følgende: Hvilken struktur finnes i overflatesjiktet, hvilke forskjeller er det til det indre, og klarer det samlede materialet å oppfylle produktets deformasjonskrav?
Creation Group-gruppen bistår kunder med feilsanalyse ved å knytte sammen sprekkingens utseende, mikrostrukturen og egenskapsdataene, og fremlegge begrunnede, verifiserbare årsaksforklaringer, slik at videre forbedringer får klart definerte målsetninger.
Å se sprekken er bare starten; det er forklaringen på hvorfor sprekken oppsto som gir feilsanalysen dens virkelig verdi.
Creation Group-gruppen · Klasserom for kolddekningsingeniører
Forstå materialproblemer tydelig