S136模仁注塑开裂分析_失效分析案例

S136模仁注塑开裂分析

11月,05,2023 | 浏览次数：35297

背景：某设计开发的D9215塑料模具,在服务300多模次后即发生早期开裂,需重新加工更换,造成停产损失。

分析结果
模仁的化学成份、硬度及金相组织均正常;
裂纹源发生于冷却水道；
裂纹中含有氯/钙/镁/铜等异常元素;
合模具有冲击力,急冷急热易产生热应力。
失效机理：应力腐蚀开裂；
根本原因：水道中自来水含有有害杂质元素,如Cl。
某设计开发的D9215塑料模具,在服务300多模次后即发生早期开裂,如图1所示,需重新加工更换,造成停产损失。拟对早期开裂之模具进行取样分析测试,找出失效真因,供设计或使用考虑。

图1-模仁3D及断裂实物图

图2-分析方案流程图

一、实验结果
化学成分

在模仁上取样,成份测试结果如表1，符合ASSAB S136成份规格。

表1-化学成分测试结果（wt%）

Point	C	Si	Mn	P	S	Cr	V	Fe
Single	0.38	1.09	0.46	0.020	0.005	13.52	0.27	83.2
Single	0.38	1.07	0.46	0.021	0.006	13.38	0.27	83.1
Average	0.38	1.08	0.46	0.020	0.005	13.50	0.27	83.2
STAVAX Spec.	0.33- 0.43	1.20 max	1.00 max	0.03 max	0.03 max	12.6- 14.6	0.1- 0.5	/

材质硬度
模仁材质硬度五点平均值为51.5HRC,符合50±2热处理技术要求。
金相组织分析
模仁金相组织观察如图3所示,可见:
模仁组织为马氏体基体+粒状碳化物,碳化物分布均匀;符合S136热处理淬回火后的正常组织。
图三--模仁金相组织

图三-模仁金相组织

裂纹形貌及成份分析
垂直于模仁冷却水道将样品剖切,并制成金相样品观察 ,如图4,可见:
沿着冷却水道内壁目视下可以观察到C位置有明显的宏观裂纹;
D/E/F处有许多裂纹;
水道内壁表面能观察到明显腐蚀,参考A/B位置;
裂纹起源于水道内壁 ,呈树枝状,中间一条主裂丝毫,周围很多细小分支裂纹,呈应力腐蚀特征;
对E/F处裂纹区域进行EDS成份分析,结果如表2~3所示,可见:
在裂纹处均侦测到异常的腐蚀性元素cl、O;
冷却水道内表面亦侦测到Mg/Ca/Cu元素, 来源于冷却水中杂质;

图4-冷却水道截面裂纹形貌

测试点	C	O	Mg	Si	S	Cl	Ca	Cr	Fe	Cu	Total
1	5.44	36.1	0.37	1.82	/	1.74	0.79	/	45.35	8.42	100
2	4.64	40.9	0.71	1.95	/	0.68	0.92	/	50.19	/	100
3	3.37	40.6	/	/	/	0.48	/	1.13	54.41	/	100
4	5.72	39.2	/	0.88	1.54	2.28	/	12.67	37.74	/	100

表2-图4E裂纹区域测试结果(%)

测试点	C	O	Si	P	Cl	Cr	Mn	Fe	Cu	Total
1	11.03	31.08	1.01	/	1.79	5.94	2.51	39.73	6.91	100
2	4.72	25.45	1.01	1.86	1.26	22.08	/	43.63	/	100
3	5.71	22.42	0.86	1.28	1.23	25.52	/	42.98	/	100

表3-图4F裂纹区域测试结果(%)

二、分析与讨论
受应力的零件在特定环境下产生滞后开裂或断裂的现象称为应力腐蚀断裂.其环境包括：潮湿的空气、雨水、海水、氨水、氯化物水溶液、酸、有机溶液等。
一般说来 ,马氏体不锈钢耐蚀较好,但在一些特定的环境下如海水、高温高压水、高温碱水等介质中可以对马氏体钢产生腐蚀作用。
应力腐蚀断裂的三个条件：应力、腐蚀介质和金属材料。
本案例中,应力可能来源于合模冲击力、水的急冷急热的热应力,腐蚀介质为水道中的冷却自来水。
三、结论
模仁开裂的主要原因是应力腐蚀,裂纹起源于冷却水道。
水道中的水为腐蚀介质,开模闭模产生的冲击力及水的急冷急热的热应力为应力腐蚀的力学条件。
模仁的化学成份、硬度及金相组织均正常。

四.建议
1.尽量采用纯水冷却,降低氯离子含量；
2.适当添加缓蚀剂；

3.适当增加水道壁厚,提高模仁强度。

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