Przykład 01 / Pęknięcia w formowaniu na zimno
Flańcik śruby popękał siateczkowo:
śledzenie przyczyn od mikrostruktury lamelarnej i powierzchniowego hartowania
Jedna śruba, jej trzpień wygląda normalnie, jednak na krawędziach flangowej części po procesie formowania na zimno pojawiły się drobne pęknięcia. W takich przypadkach często nie wystarczy tylko zapytać: „Czy materiał nie jest zbyt twardy?”.
W tym przypadku głównym przedmiotem analizy było to, że w pobliżu powierzchni materiału obserwowano jednocześnie nieprawidłową mikrostrukturę i wzrost twardości. Na tej podstawie wysunęliśmy hipotezę, że mikrostruktura lamelarna oraz podejrzewany przypowierzchniowy przyrost zawartości węgla wspólnie wpłynęły na zmniejszenie lokalnej zdolności do plastycznego odkształcania, co sprzyjało powstawaniu pęknięć podczas formowania na zimno flangowej części śruby.
Następnie dokładnie przedstawimy wyniki badań oraz tę ścieżkę awarii.
I. Tło przypadku: klient zlecił firmie Creation Group analizę pęknięć powstałych podczas formowania na zimno
Jedna z firm produkująca elementy mocujące wykorzystuje drut dostarczany przez swojego dotychczasowego dostawcę do produkcji śrub. Podczas operacji formowania na zimno na flance pojawiły się siateczkowate pęknięcia, dlatego firma zwróciła się do Grupy Creation Group o pomoc w ich analizie.
Materiał określony przez klienta to SCM435, a rozmiar drutu to φ13,15 mm. Materiał objęty niniejszym przypadkiem nie pochodził od firmy Creation Group; zajmowała się ona wyłącznie analizą dostarczonych próbek. Informacje dotyczące klienta i dostawcy zostały zamaskowane.
Analiza opierała się na oględzinach zewnętrznych próbek, zdjęciach metalograficznych przekrojów oraz danych pomiarowych twardości według metody Vickersa. Nie uzyskano przy tym oryginalnego drutu z tej samej partii, kompletnych dokumentów dotyczących obróbki cieplnej ani precyzyjnych wyników ilościowego stężenia węgla.
Wygląd pęknięć na flance
Na flance badanej próbki widocznych jest wiele krótkich pęknięć, miejscami splatających się ze sobą.
II. Wyniki badania: bliskie powierzchni warstwy charakteryzują się nie tylko inną mikrostrukturą, ale także wyższą twardością
Zdjęcia metalograficzne pokazują, że w pobliżu powierzchni badanego przekroju występują wyraźnie zróżnicowane obszary mikrostruktury; dwie zaznaczone szerokości wynoszą odpowiednio 78,56 μm i 105,64 μm, co odpowiada około 0,08–0,11 mm.
Przy dużym powiększeniu widoczna jest wyraźna struktura lamelarna i prążkowana, różniąca się od wyglądu wewnętrznych węglików.
Mikrostruktura bliskiego powierzchniowego warstwy oraz pomiary lokalnej szerokości
Dwie zaznaczone szerokości lokalnych obszarów o zmienionej mikrostrukturze nie są bezpośrednio równoważne ustalonej głębokości nadtleniania.
Mikrostruktura bliskiego powierzchniowego warstwy przy dużym powiększeniu
W pobliżu powierzchni wyraźnie widoczne są cechy struktury lamelarnej i prążkowanej; pierwotne powiększenie i skala zostały zachowane.
Mikrostruktura wewnętrzna przy dużym powiększeniu
Porównując z Rysunkiem 3, można zaobserwować różnicę w kształcie i rozkładzie węglików; kontrast jasności i ciemności nie może być jednoznacznie traktowany jako zamiennik analizy zawartości węgla.
Badanie mikrotwardości dostarcza dodatkowego dowodu. Zgodnie z notatkami z tego badania, kolejność punktów pomiarowych była „od krawędzi do wnętrza”:
Porównanie Notatki z badania
Pierwszy punkt blisko powierzchni 260,5 HV0.1
Następne dwa punkty 248,5 i 240,6 HV0.1
Średnia wartość w przedziale 0,5–1,4 mm około 232,4 HV0.1
Różnica między pierwszym punktem blisko powierzchni a wspomnianą średnią wynosi około 28,1 HV0.1
Zróżnicowanie mikrostruktury oraz wzrost twardości wzajemnie się potwierdzają: bliska powierzchni warstwa to nie tylko „miejscami ciemniejsze zdjęcia”, lecz również struktura i właściwości mechaniczne odmienne od tych obserwowanych wewnątrz.
Dane zbadania
15 oryginalnych danych pomiarowych mikrotwardości Vickersa
Krzywa twardości
Krzywa mikrotwardości Vickersa
Warunki testu: HV0.1, łącznie 15 punktów. Dane oraz krzywa wspólnie ukazują zmiany twardości pomiędzy poszczególnymi punktami; interpretację należy dokonywać w kontekście położenia poszczególnych punktów.
III. Pierwszy wskazany powód: Dlaczego pojawia się struktura lamelarna?
Celem wyżarzania sferycznego jest nie tylko obniżenie twardości, ale także uzyskanie odpowiedniej formy i rozkładu węglików, które sprzyjają późniejszej obróbce na zimno.
W przypadku zaobserwowanej struktury lamelarnej bierzemy pod uwagę dwa możliwe mechanizmy powstawania: częściowe niesferyzowanie istniejącej perlitu lub jej ponowne tworzenie się podczas chłodzenia po przegrzaniu.
Głównym wyjaśnieniem termicznym przedstawionym w tym przypadku jest niewłaściwe dopasowanie temperatury ogrzewania, czasu izolacji cieplnej oraz procesu chłodzenia, co prowadzi do pozostawienia lub regeneracji perlitu lamelarnego.
Jeśli temperatura ogrzewania znajduje się w zakresie częściowej austenityzacji, a jej wartość jest zbyt wysoka lub czas izolacji w tym zakresie został źle ustalony, może nastąpić zmiana stanu rozpuszczenia węglików; następnie niekorzystne warunki chłodzenia, nie sprzyjające powstawaniu sferoidalnych węglików, mogą prowadzić do powstania struktury lamelarnej. Proces sferyzacji obejmuje zarówno rozpuszczanie węglików podczas nagrzewania, jak i ich ponowne wytrącanie się podczas chłodzenia, dlatego nie można kierować się jedynie określonym parametrem czasu izolacji cieplnej.
Zatem nie jest tak, że „im dłużej utrzymujemy temperaturę, tym materiał staje się miększy”, ani że „po wykonaniu sferyzacji materiał zawsze zostanie odpowiednio sferyzowany”. Ostatecznie decydują wyniki analizy mikrostrukturalnej.
IV. Druga wskazana przyczyna: Czy atmosfera w piecu nasiliła anomalie na powierzchni?
Wzbogacenie powierzchni węglem jest drugim głównym przypuszczalnym błędem technologicznym w tym przypadku.
Jeśli atmosfera w piecu posiada tendencję do wzbogacania materiału węglem, na powierzchni elementu może dochodzić do akumulacji węgla, co z kolei wpływa na ilość węglików oraz ich zachowanie podczas rozpuszczania i przemiany, powodując różnice w strukturze pomiędzy warstwą powierzchniową a wnętrzem.
Takie zjawisko może nakładać się na nieprawidłowości w procesie sferyzacji: z jednej strony struktura lamelarna nie została dostatecznie zlikwidowana lub powstała ponownie, z drugiej – wzbogacenie powierzchni węglem dodatkowo wpływa na lokalną mikrostrukturę i twardość.
Jednak należy zaznaczyć istotną różnicę: dostępne wyniki metalograficzne i pomiary twardości potwierdzają tę hipotezę, lecz nie stanowią samodzielnego dowodu na wzrost zawartości węgla. Nawet przy tej samej zawartości węgla, zmiany w kształcie struktury, wielkości ziaren oraz rozkładu węglików mogą również wpływać na właściwości materiałów.
Dlatego „atmosferyczne wzbogacenie węglem” w tym przypadku należy traktować jako główną hipotezę dotyczącą przyczyn technologicznych, a nie jako fakty laboratoryjne potwierdzone precyzyjnymi pomiarami ilościowymi.
V. Dlaczego ostatecznie wystąpiło siatkowate pęknięcie kołnierza?
Podczas kształtowania kołnierza materiał rozszerza się w kierunku zewnętrznych stron, co powoduje zwiększenie powierzchni; warstwa bliska powierzchni musi deformować się równolegle z wnętrzem.
Struktura lamelarna oraz miejscowa większa twardość sugerują, że reakcja na odkształcenie w tej strefie różni się od reakcji wnętrza. Pod wpływem lokalnych naprężeń rozciągających i ścinających, gdy zdolność plastyczna okolicy jest niedostateczna, łatwo może pojawić się pierwotny pęk.
Wraz z dalszą obróbką, kolejne słabe miejsca ulegają pęknięciu; pęknięcia rozwijają się w różnych kierunkach i miejscami łączą się ze sobą, co może prowadzić do powstania charakterystycznego wzoru siatkowego.
Uproszczenie: wnętrze nadal się rozciąga, natomiast warstwa powierzchniowa nie nadąża, co powoduje rozciąganie w wielu punktach jednocześnie.
Przedstawiona ścieżka awarii: nieprawidłowy proces termiczny sferyzacji, prowadzący do powstania resztkowej lub regenerowanej struktury lamelarnej; podejrzenie, że atmosfera pieca nasiliła różnice w strukturze i twardości w pobliżu powierzchni; niedopasowanie lokalnych odkształceń podczas chłodnego udźwigania kołnierza, co sprzyja wielokrotnemu rozpoczęciu pęknięć.
Oto główne mechanistyczne wnioski oparte na dostępnych danych. Próbki pobrane zostały z części sztywnicy; obserwacje tego przekroju nie mogą być bezpośrednio interpretowane jako „widoczne już pęknięcia kołnierza wywodzące się ze zniszczonej warstwy”.
VI. Kluczowe punkty postępowania: równoległa weryfikacja procesu obróbki cieplnej i kontroli atmosfery
Ponieważ mowa o dwóch czynnikach, dalsze działania nie mogą skupiać się wyłącznie na jednym wartości twardości.
Pierwszy krok: zweryfikować rzeczywisty proces obróbki cieplnej. Porównując faktyczne temperatury podgrzewania, czas utrzymywania oraz krzywe chłodzenia z materiałami, należy ustalić, czy struktura lamelarna pozostała niedostatecznie sferoidalizowana, czy też ponownie ukształtowała się w trakcie chłodzenia.
Drugi krok: sprawdzić atmosferę oraz rozkład zawartości węgla w warstwie powierzchniowej. Należy skonfrontować zapisy dotyczące kontroli atmosfery oraz przeprowadzić badanie zawartości węgla, mikrostruktury i twardości od powierzchni aż do wnętrza dla próbek pochodzących z tej samej partii drutu, aby potwierdzić ocenę przyrostu węgla w warstwie powierzchniowej.
Trzeci krok: zweryfikować efekty wprowadzonych zmian na podstawie wyników mikrostrukturalnych oraz formowania. Nie można ograniczać się tylko do obserwacji spadku ogólnej twardości; konieczne jest również sprawdzenie, czy ilość struktury lamelarnej w pobliżu powierzchni zmniejszyła się, czy stan wewnętrzny i zewnętrzny materiału stał się bardziej jednolity, a także przeanalizowanie wyników testów udaru zimnego dla produktów tego samego typu.
Ze względu na brak dostępnych danych dotyczących powtórzonych badań po wprowadzeniu poprawek oraz protokołów produkcji masowej, nie przedstawiamy wyżej wymienionych kierunków działań jako środków już potwierdzonych i skutecznych.
VII. Wnioski przypadku
Głównym mechanizmem awarii stwierdzonym w tym przypadku jest następujący: blisko powierzchni występująca struktura lamelarna oraz miejscowe hartowanie obniżają zdolność koordynacji odkształceń, co w trakcie rozszerzania się podczas udaru zimnego flanszy prowadzi do powstawania pęknięć siatkowatych.
Odpowiedzialność za powstanie anomalii przypisuje się głównie niewłaściwemu procesowi sferoidalizacji oraz prawdopodobnemu przyrostowi węgla w atmosferze pieca. Konkretne procesy powstawania perlitu regeneracyjnego oraz przyrostu węgla wymagają dalszej weryfikacji poprzez zestawienie danych dotyczących pierwotnego drutu, procesu obróbki cieplnej oraz rejestrów atmosferycznych.
Ten przykład pokazuje, że oceniając materiał do udaru zimnego, nie można ograniczać się wyłącznie do pytania „jaka jest średnia twardość”; należy zwrócić uwagę również na to, jaką strukturę posiada warstwa powierzchniowa, jakie są różnice w stosunku do wnętrza oraz czy warstwa ta może wspólnie z wnętrzem wykonać odkształcenia wymagane przez dane wyroby.
Creation Group wspiera klientów w analizie awarii, łącząc obserwacje wyglądu pęknięć z danymi dotyczącymi mikrostruktury i właściwości, formułując uzasadnione i sprawdzalne wnioski dotyczące przyczyn, co zapewnia jasno określone cele dla dalszych poprawek.
Zobaczenie pęknięcia to dopiero początek; prawdziwa wartość analizy awarii tkwi w wyjaśnieniu, dlaczego ono powstało.
Creation Group · Kurs inżynierów udaru zimnego
Wyjaśniamy problemy materiałowe