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卡盘T型块断裂分析郭全英1，张国玉2，孙晶1（1.沈阳工业大学材料科学与工程学院，沈阳110870；2.中国电子科技集团公司第十三研究所石家庄050051）摘要：卡盘T型块在设备调试期间发生断裂。对断裂卡盘T型块的断口宏观形貌、化学成分、金相显微组织、断口微观形貌、力学性能及连接结构进行了研究分析。结果表明，卡盘T型块断裂的主要原因是材质强度低及卡爪设计图纸的更改使卡盘T型块受力增大。根据卡盘T型块连接件结构，提出相应的改进措施。关键词：卡盘T型块；显微组织；断口分析；改进措施中图分类号：TG51文献标识码：A文章编号：FractureAnalysisfortheTBlockofChuckGuoQuanying1,ZhangGuoyu2,SunJing1(1.CollegeofMaterialsScienceandEngineering,ShenyangUniversityofTechnology,shenyang110870;2.Tne13THResearchInstituteofChinaElectronicsTechnologyGroupCorporation,shijiazhuang050051)Abstract:TblockofchuckfortheMachinetoolfractureswhentheMachinetoolistested.Theanalysishasdoneformacroscopicfracturemorphology,chemicalcomposition,microstructure,microscopicfracturemorphology,mechanicalpropertiesandconnectionsstructuraloffractured.TheresultshowsthatthemainreasonsofTblockfractureareitslowstrengthmaterialandthestressofTblockincreasingbychangingthedesignoftheclaw.TheappropriateimprovementsareputforwardaccordingtothestructuralfeaturesofconnectorwithTblockofchuck.Keywords:Tblockofchuck;microstructure;fracturemorphologyanalysis;improvementsT型块也叫T型螺母，它是将其他连接件简单安全地固定至型材槽坑上槽内，装配过程中，它能自动定位，自动锁紧，主要用于T型槽。在机床生产中，它是每台机床必备的机器零件。某机床生产厂家生产的一台管子车床，在用户处调试期间机床上的零件卡盘T型块发生断裂，致使管子车床无法正常使用。卡盘T型块是长方体，在长方体两侧有两个内螺纹孔（图2）。笔者对卡盘T型块进行了理化检验和分析，找出导致其断裂的原因并提出相应的改进措施1.理化检验1.1卡盘T型块材质化学成分检验：经原子吸收光谱检验，卡盘T型块所用材料的化学成分（质量分数）见表1。表1卡盘T型块的化学成分(%)Table1chemicalcompositionforTblockofchuck(%)元素FeCCrMnSi含量97.7830.1870.800.740.49表1是断裂卡盘T型块的化学成分，由表1可知铁(Fe)元素占97.783%、碳(C)元素占0.187%、其余元素Si是0.49%,Cr是0.80%，Mn是0.74%。由表1可以推断断裂卡盘T型是块的材质是低碳钢，而且微量元素Cr，Mn，Si都在合理范围内，并没有超标。1.2卡盘T型块金相组织分析图1是扫描电镜拍摄的断裂卡盘T型块的显微组织照片，从图1可以看到断裂卡盘T型块的显微组织是回火马氏体组织，这说明断裂的卡盘T型块零件经过了淬火、回火的热处理过程。图1卡盘T型块的显微组织Fig.1microstructureforTblockofchuck1.3断裂卡盘T型块的硬度测试用洛氏硬度计对断裂卡盘T型块进行硬度测试，载荷为150公斤力，加载时间为15秒，测试结果如表2：表2卡盘T型块硬度测试值（HRC）Table2hardnessforTblockofchuck测试部位心部边缘硬度值3137由表2可知断裂卡盘T型块的硬度值边缘为HRC37、心部为HRC31。这个硬度值与前面成分分析的结果以及相符。进一步说明断裂卡盘T型块使用的是普通的低碳钢。1.4卡盘T型块断口分析1.4.1卡盘T型块宏观断口分析图2卡盘T型块的宏观断裂形貌Fig.2macroscopicfracturemorphologyforTblockofchuck图2是卡盘T型块断裂面两侧对应部位的形貌，在图2中，箭头所指的地方较其它部位颜色深，有锈迹的颜色，它是陈旧断口区，其它部分是新断口区。陈旧断口区比较平坦，如细瓷状，新断口区呈纤维状。因此，初步可以判断此断裂是疲劳断裂。陈旧断口区应是裂纹源及裂纹扩展区，新断口区应是瞬时断裂区。新断口所占面积比非常大，陈旧断口区域较小，说明卡盘T型块在裂纹出现后非常短的时间内就全陈旧断口陈旧断口A区部断开。也说明裂纹扩展时间较短。1.4.2卡盘T型块微观断口分析把图2中A区用扫描电子显微镜放大，观察其微观组织形貌，结果如图3、图4、图5所示。图3图2中A区放大形貌图4图2中A区内螺纹跟部形貌Fig.3amplificationmorphologyofAinFig.2Fig.4screwrootmorphologyofAinFig.2从图3可以看到，A区的起源部位置就是内螺纹处。我们把内螺纹跟部附近进一步放大，发现有疲劳辉纹，如图4所示。发现与疲劳辉纹垂直的方向指向内螺纹跟部。这说明内螺纹跟部是裂纹的起源处。图5A区内放大的疲劳辉纹形貌图6瞬断区的断口形貌Fig.5amplificationfatiguestriationinAareaFig.6transientfaultfracturemorphology图5是内螺纹跟部附近区域进一步放大，更清楚观察到的疲劳辉纹形貌。这进一步证明卡盘T型块断裂是疲劳断裂。对A区以外的区域进行放大观察，断口形貌如图6所示。从图6的断口形貌可知，A区以外的区域是瞬断区，既最后断裂区，并且此断口沿晶断裂。2.卡盘T型块受力分析根据卡盘T型块工作状态，卡盘T型块工作时受力应该是扭转应力。图7是卡爪的原始设计图，图8是我公司调试人员为了排屑流畅而改动的卡爪的设计图。图7卡爪的原图纸Fig.7theoriginaldrawingsoftheclaw图8调试人员改动后的卡爪图纸Fig.8thechangeddrawingsoftheclawbytester从两个图对比看，改动后，卡爪与卡盘断面的轴向长度由原来的30mm变为65mm，这增加了卡爪夹紧工件时的力臂，使卡盘T型块受力增加了120%。3讨论与分析从成分分析看，卡盘T型块的化学成分属的低碳合金钢。从硬度测试结果看，卡盘T型块硬度值边缘为HRC37、心部为HRC31。说明卡盘T型块零件进行了常规热处理。从显微组织分析看，断裂卡盘T型块的显微组织是回火马氏体组织，如图2，这说明断裂卡盘T型块零件经过了淬火、回火的热处理过程。与成分分析和硬度测试结果相符的。从宏观断口观察可知，图2的A区是裂纹源和扩展区[1,2,3]，因为这部分颜色较深，表面光滑。还可以观察到颜色较深区域所占面积较小，而其它部分所占面积很大，说明裂纹在裂纹源生成后，受到了较大的循环应力作用。裂纹向零件内部扩展，但扩展区较小区域后，整个零件所受的应力就已经超过了零件的承载能力，整个零件在工作较短的时间后迅速断裂。从微观断口观察可知，见图4，在图4中我们看到了具有疲劳断裂特征形貌疲劳辉纹，根据疲劳断裂理论，与疲劳辉纹垂直处即是疲劳裂纹源处。所以可以断定裂纹源是内螺纹的外缘处。一般情况下，在有应力集中的情况下，疲劳裂纹的核心常常产生在零件的应力最集中的部位，如机件的台阶建交、键槽、油孔、螺纹、连接件的接头处。从卡盘T型块零件的结构看内螺纹处就是应力集中处。在内螺纹处先产生裂纹，一是它本身是应力集中区；另一个是由于制造零件的材质是普通的低碳合金钢，它本身的强度较低；再有，卡爪的设计发生了改变，如图7、图8，卡爪设计发生改变后增加了卡爪夹紧工件时的力臂，使卡盘T型块受力增加了120%。这使得内螺纹处受力超过了极限屈服强度，先产生裂纹。产生裂纹后，在较高的应力作用下裂纹不断向零件内部扩展，当卡盘T型块所收应力大于承载能力时，整个零件就会瞬间断开，造成失效[4,5,6]。最后瞬断区的微观形貌如图6，它的断裂方式为沿晶断裂，这说明材料本身非常脆，这与成分分析和硬度测试结果不相符。从零件化学成分看，卡盘T型块是普通低碳合金钢，普通低碳合金钢经过淬火、回火后韧性较好，断裂也应是韧性断裂方式。分析原因有可能零件在热处理时发生了“第一类回火脆性”[7].我们知道，普通碳素钢的低温回火温度在1500C-2500C之间，“第一类回火脆性”产生的温度范围是2500C-3500C之间，所以对本零件，如果回火温度稍控制不好，超过2500C，就产生回火脆性，使零件韧性降低，材料本身变脆。如果材质不变脆，裂纹向内扩展的时间会长，也就是说，零件不会在很短的时间内断裂。综上分析，卡盘T型块发生低周疲劳断裂的原因是综合因素作用的结果。首先，由于卡爪设计图纸的更改增大了卡盘T型块受力；其次，卡盘T型块是普通低碳素钢材质，强度较低；再次，卡盘T型块回火温度没有控制好，出现“第一类回火脆性”，造成材质变脆。上述三个因素共同作用的结果促使卡盘T型块发生低周疲劳断裂，在很短的时间内发生断裂失效。4.改进措施(1)针对卡盘T型块本身材质强度低的问题，选用45#钢材加工零件；或对用低碳钢加工的卡盘T型块进行表面处理。(2)要求零件的生产厂家严格遵守热处理工艺，控制好回火温度，不能超过2500C；(3)卡爪设计图纸回复为原来的设计尺寸，减小卡盘T型块受力大小。参考文献：[1]上海交通大学金属断口分析编写组.金属断口分析[M].北京：国防工业出版社，1979.[2]郭全英，蔡淑芳，许素珍。销孔螺栓断裂分析[J].理化检验-物理分册，2008，44（5）：209.[3]陈慧玲.普通轴类零件失效分析[J].金属热处理，2007，32（7）：85-87[4]王日华.压铸件常见缺陷及分析[J].模具制造，2002（4）：39-40.[5]王荣滨.铸造铝合金缺陷分析及热处理工艺研究[J].有色金属加工，2008，37（5）：10-12.[6]张龙祥，高义斌，胡兰青.架空线路相间间隔棒连接金具联板断裂分析[J].铸造，2014（6）：604.[7]刘云旭.金属热处理原理[M].北京：机械工业出版社，1981.辽宁省自然基金.项目编号：2014028016作者简介：郭全英（1965-），女，博士研究生，主要研究方向为高品质镁合金及材料的失效分析。E-mail：guoqy1965@163.com