Пример 01 / Трещинообразование при холодной высадке
Фланец болта покрылся сеткой трещин:
по следам пластинчатой структуры и поверхностного упрочнения — выясняем причины
На одном болте стержень выглядит нормально, однако по краю фланца после холодной высадки появились мелкие трещины. В таких случаях одного лишь вопроса «не слишком ли твердый материал?» часто бывает недостаточно.
Основное внимание в данном анализе уделяется тому, что вблизи поверхности материала одновременно обнаружены отклонения в микроструктуре и повышение твердости. На этом основании мы предполагаем: пластинчатая структура и возможное насыщение углеродом поверхностного слоя совместно снизили местную деформируемость, что и привело к образованию трещин во время холодной высадки фланца.
Далее подробно расскажем о результатах исследований и восстановим ход событий, приведших к данному отказу.
1. Контекст примера: заказчик поручил компании Руйсюн проанализировать трещинообразование при холодной высадке
Один производитель крепежных изделий изготавливает болты из проволоки, поставляемой его текущим поставщиком. При выполнении операции холодной высадки на фланце были обнаружены сетчатые трещины, после чего компания обратилась в группу Руйсюн за помощью в их анализе.
Клиент указывает марку стали как SCM435, диаметр проволоки составляет 13,15 мм. Материал данного примера не поставлялся компанией Руйсюн; наша организация провела аналитические исследования предоставленных образцов. Информация о клиенте и поставщике анонимизирована.
В основу настоящего анализа легли внешний вид образцов, металлографические фотографии поперечных срезов и результаты измерений микротвердости по Виккерсу. Данные о партии исходной проволоки, полном цикле термической обработки и количественных показателях концентрации углерода отсутствуют.
Внешний вид трещин на фланце
На фланцевой части проверяемого образца видны многочисленные короткие трещины, местами пересекающиеся друг с другом.
II. Результаты испытаний: вблизи поверхности не только структура отличается, но и твёрдость выше
Металлографические фотографии показывают, что на исследуемом сечении вблизи поверхности присутствуют зоны с явными различиями в микроструктуре; две выделенные области имеют ширину 78,56 мкм и 105,64 мкм соответственно, что составляет примерно 0,08–0,11 мм.
При большом увеличении видно, что в этой области присутствует выраженная пластинчатая и полосчатая структура, отличающаяся от внутренней морфологии карбидов.
Микроструктура приповерхностного слоя и измерения локальной ширины
Локальные измерения двух выделенных областей со структурными различиями не равнозначны определённой глубине обуглероживания.
Микроструктура приповерхностного слоя при большом увеличении
В приповерхностном слое хорошо заметны пластинчатые и полосчатые структурные особенности; исходное увеличение и масштаб сохранены.
Микроструктура внутри детали при большом увеличении
Сравнивая с рис. 3, можно оценить форму и распределение карбидов; яркость и контраст не заменяют непосредственный анализ содержания углерода.
Микротвёрдость предоставила дополнительные данные. Согласно порядку измерений «от края к середине», зафиксированному в протоколе испытаний:
Сравниваемые параметры Протокол испытаний
Первая точка в приповерхностном слое 260,5 HV0.1
Две последующие точки 248,5 и 240,6 HV0.1
Среднее значение в интервале 0,5–1,4 мм около 232,4 HV0.1
Разница между первой точкой приповерхностного слоя и указанной средней величиной примерно 28,1 HV0.1
Различия в металлографической структуре и повышение твёрдости взаимно подтверждают: приповерхностный слой — это не просто «место, где цвет на фотографии темнее», а область с иной структурой и механическими свойствами по сравнению с внутренними слоями.
Данные испытаний
Исходные данные 15 точек измерения микротвёрдости по Виккерсу
Кривая твёрдости
Кривая микротвёрдости по Виккерсу
Испытания проведены по методу HV0.1, всего 15 точек. Данные и график одновременно демонстрируют изменения твёрдости между точками; их следует рассматривать с учётом расположения измеряемых участков.
III. Первая версия причины: почему возникает пластинчатая структура?
Цель сфероидизирующего отжига — не только снизить значение твёрдости, но и получить требуемую форму и распределение карбидов, подходящие для последующей холодной деформации.
В случае наблюдаемой пластинчатой структуры мы рассматриваем два основных пути её образования: недостаточная сфероидизация исходного перлита либо повторное формирование перлита в процессе охлаждения после нагрева.
Основное предположение относительно термической обработки заключается в том, что неправильный подбор температуры нагрева, выдержки и режима охлаждения привёл к сохранению или регенерации пластинчатого перлита.
При частичном введении в область аустенитизации, при завышенной температуре или недостаточной выдержке при этой температуре происходит изменение состояния растворения карбидов; если затем процесс охлаждения не способствует образованию сферических карбидов, может вновь сформироваться пластинчатая структура. Сам процесс сфероидизации связан с растворением карбидов при нагреве и их повторным выделением при охлаждении, поэтому нельзя судить лишь по одному параметру выдержки.
Таким образом, «чем дольше выдержка, тем мягче» — это не правило, равно как и утверждение, что «проведённый сфероидизирующий отжиг обязательно приводит к полной сфероидизации». В конечном счёте всё определяется микроструктурой.
IV. Вторая версия причины: усилила ли атмосфера печи неоднородность поверхностного слоя?
Углеродистое насыщение поверхностного слоя — ещё одна из основных предполагаемых технологических причин, выдвинутых в данном случае.
Если атмосфера печи обладает углеродистыми свойствами по отношению к стали, на поверхности материала может происходить накопление углерода, что, в свою очередь, изменяет количество карбидов, их растворимость и характер превращений в этом участке, в результате чего между поверхностным слоем и внутренней частью формируются различные микроструктурные состояния.
Это может взаимно сочетаться с нарушениями процесса сфероидизации: с одной стороны, пластинчатая структура не была полностью устранена либо возникла повторно, с другой — углеродистое насыщение поверхности дополнительно влияет на местную микроструктуру и твёрдость.
Однако следует отметить важное различие: имеющиеся результаты металлографического анализа и измерений твёрдости поддерживают эту гипотезу, однако сами по себе не могут служить бесспорным доказательством повышения содержания углерода. Даже при одном и том же содержании углерода изменения формы структуры, размера зёрен и распределения карбидов также оказывают влияние на механические свойства материала.
Поэтому в данном случае предположение об «углеродистом воздействии атмосферы» относится к категории основных технологических причин, а не является окончательно подтверждённым количественным результатом испытаний.
V. Почему в конечном счёте наблюдаются сетчатые трещины на фланце?
При формовке фланца материал растягивается в стороны, площадь поверхности увеличивается, и прилегающий к поверхности слой вынужден деформироваться вместе с внутренними слоями.
Пластинчатая структура и местная повышенная твёрдость свидетельствуют о том, что реакция этого участка на деформацию отличается от внутренних слоёв. При локальных растягивающих и сдвиговых напряжениях, если пластическая деформация оказывается недостаточной, в этих местах легко образуются первичные трещины.
По мере продолжения процесса формования трещины возникают последовательно в различных слабых местах; трещины распространяются в разных направлениях и местами соединяются друг с другом, в результате чего может формироваться сетчатый рисунок.
Говоря простым языком: внутренняя часть продолжает деформироваться и вытягиваться, тогда как поверхностный слой уже не успевает за этим процессом, и в нескольких местах последовательно образуются разрывы.
Предложенная в данном случае схема развития отказа такова: неправильная термическая обработка сфероидизацией привела к появлению остаточной или регенерированной пластинчатой структуры; предполагаемое углеродистое насыщение атмосферы печи усугубило различия в микроструктуре и твёрдости приповерхностного слоя; во время холодной высадки фланца возникло рассогласование локальной деформации, что способствовало многоточечному зарождению трещин.
Это основная версия механизма, сформулированная на основе имеющихся данных. Точки отбора проб, обозначенные на стержне, пока не позволяют напрямую утверждать, что наблюдавшиеся трещины на фланце начались именно в этом аномальном слое.
VI. Основные направления работы: одновременная проверка процесса термообработки и контроля атмосферы
Поскольку речь идёт о двух факторах, дальнейшая обработка не должна ограничиваться лишь одним значением твёрдости.
Во-первых, необходимо проверить фактический процесс термообработки. Сопоставив реальные параметры нагрева — температуру, время выдержки и кривую охлаждения — следует установить, является ли пластинчатая структура недостаточно сфероидизированной или же она вновь образовалась в процессе охлаждения.
Во-вторых, требуется проанализировать атмосферу печи и распределение углерода по поверхностному слою. Для этого следует сверить записи о контроле атмосферы и провести совместную проверку исходного проката данной партии: измерить содержание углерода, исследовать микроструктуру и определить распределение твёрдости от поверхности к сердцевине, чтобы подтвердить предположение об обогащении углеродом поверхностного слоя.
В-третьих, результаты изменений следует подтвердить анализом микроструктуры и результатов формообразования. Недостаточно просто убедиться, что общая твёрдость после корректировки снизилась; необходимо также проверить, уменьшилась ли пластинчатая структура в приповерхностном слое, стали ли состояния внутренних и наружных зон более равномерными, а также оценить результаты холодной высадки аналогичных изделий.
В имеющихся материалах отсутствуют данные повторных испытаний после проведения корректировки и записи о серийном производстве; поэтому указанные направления работы не могут быть представлены как уже успешно подтверждённые меры.
VII. Выводы по случаю
Основным механизмом отказа в данном случае признано следующее: пластинчатая структура в приповерхностном слое вместе с локальным упрочнением снижают способность к согласованной деформации, что в процессе расширения фланца при холодной высадке приводит к появлению сетчатых трещин.
Что касается источников возникновения этих отклонений, основное внимание обращено на сочетание некорректного проведения сфероидизирующей термообработки и возможного обогащения углеродом вследствие состава атмосферы внутри печи. При этом конкретные механизмы образования регенерированной перлитной структуры и обогащения углеродом требуют дополнительной проверки сопоставлением данных исходного проката, процедур термообработки и записей о состоянии атмосферы.
Этот пример показывает, что при оценке материалов для холодной высадки недостаточно спрашивать лишь «какова средняя твёрдость»; необходимо также учитывать: какая микроструктура присутствует на поверхности, чем она отличается от внутренней части, и способны ли эти области совместно обеспечить необходимую деформацию изделия.
Группа Creation Group помогает клиентам проводить анализ отказов, связывая внешний вид трещин, микроструктурные характеристики и данные по эксплуатационным свойствам, формулируя обоснованные и проверяемые причины, чтобы последующие улучшения имели чётко определённый объект воздействия.
Увидеть трещину — это лишь начало; истинная ценность анализа отказов заключается в том, чтобы объяснить, почему она возникла.
Группа Creation Group · Курс инженеров по холодной высадке
Объясняем проблемы материалов понятно