S136钢模具断裂的原因

李文正, 董敏鹏, 苏子宽, 李金龙

(1.中国科学院宁波材料技术与工程研究所 中国科学院海洋新材料与应用技术重点实验室浙江省海洋材料与防护技术重点实验室, 宁波 315201；2.中国科学院大学材料与光电研究中心, 北京 100049)

模具是制造业的基础工艺装备，也被称为“制造业之母”。模具生产技术水平的高低，已成为衡量一个地区制造水平高低的重要标志[1]。目前，全世界模具市场规模超过1 000亿美元，其中日本、德国、美国、意大利等发达国家凭借其先进的模具生产技术、卓越的设计能力和技艺精良的工人,在全球模具行业保持领先地位,我国模具制造业产值占全球的三分之一。S136模具钢因其良好的耐蚀性、镜面抛光性能与热疲劳性能得到广泛应用[2]。但是，热处理工艺不合理会使S136钢模具产生各种缺陷，从而在服役过程中产生断裂失效[3]。本研究中的S136钢模具是以压铸或锻压成型方法制造的，S136钢模具在锻造加工成型过程中出现开裂，针对断口处进行了一系列理化检验，以避免该类问题的再次发生。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

采用MAXx16-M型火花直读光谱仪测定该失效S136钢模具的化学成分，结果见表1。经过查阅对比发现该钢模具的化学成分符合S136钢模具成分与一般S136钢模具成分差异不大[4-5]。

表1 S136钢模具的化学成分Tab.1 Chemical compositions of S136 steel die %

1.2 断口分析

采用FEI Quanta FEG 250型扫描电镜对该失效S136钢模具断口进行宏观和微观观察。金属零件的断裂过程大概分为裂纹萌生、裂纹亚稳态扩展及失稳扩展三个阶段[6-7]。分析模具断裂的失效机制，判断裂纹产生的位置最为关键。如图1所示，该失效S136钢模具的断口凹凸不平，断口表面未见明显缺陷。进一步对图1方框处断口开裂源区域进行微观形貌观察。由图2可知，断口未见夹杂物和折叠等缺陷，断口表面主要以韧窝形貌为主，有轻微的河流状解理特征，韧窝内存在大量颗粒状碳化物，晶界处可见少量微裂纹。

图1 S136钢模具断口的宏观形貌Fig.1 Macro morphology of S136 steel die fracture

图2 S136钢模具断口的微观形貌Fig.2 Micro morphology of fracture of S136 steel die:a) low magnification; b) high magnification

1.3 显微组织观察

在失效S136钢模具断口截取试样，依次使用丙酮溶液与酒精溶液对试样进行超声清洗，以去除试样表面的附着物，对试样进行镶嵌、抛光后，分别用由2.5 mL硝酸+45 mL酒精配制的硝酸酒精溶液和由25 mL乙醇+25 mL盐酸+5 g氯化铁配制的盐酸氯化铁对试样进行擦拭腐蚀，采用Leica DM2500 M型金相显微镜对其表面进行观察。

如图3a)和图3b)所示，其晶粒为等轴晶，晶粒尺寸为20～30 μm，晶粒内部与晶界处均分布着碳化物颗粒，且晶界处的碳化物颗粒较多。硝酸酒精腐蚀性较弱，所以S136钢模具的显微组织形貌不够清晰。如图3c)和图3d)所示，S136钢模具的显微组织主要为回火马氏体[8]，在马氏体晶粒内部及周围均可见大量白色碳化物颗粒，碳化物尺寸为0.5～3 μm。

图3 S136模具钢经不同溶液腐蚀后的显微组织Fig.3 Microstructure of S136 die steel after corrosion by different solutions:a)nitric alcohol, low magnification; b) nitric alcohol, high magnification; c) hydrochloric ferric chloride, low magnification;d) hydrochloric ferric chloride, high magnification

1.4 硬度测试

采用HR-150A型洛氏硬度仪，随机在失效S136钢模具表面选取六个位置进行硬度测试，其洛氏硬度分别为54.1，54.2，54.2，53.9，54.1，54.2 HRC，失效S136模具钢的硬度较高，略大于S136模具钢的正常硬度(52 HRC)。

采用MTS G200型纳米压痕仪，在S136钢模具表面40×40 μm2区域内、测试点按照20×20矩阵进行表面硬度测试,并绘制硬度分布图，结果如图5所示。由图5可见，S136模具钢的硬度为4～6 GPa，平均硬度约为5 GPa，碳化物所在区域硬度异常高，硬度约为11 GPa。

图4 S136钢模具的硬度分布图Fig.4 Hardness map of S136 steel die

2 分析与讨论

S136钢模具的化学成分均符合一般要求。该失效模具用钢的显微组织为回火马氏体，硬度约为54 HRC，组织中存在大量微米级碳化物。碳化物硬度约为11 GPa，基体硬度约为5 GPa，晶界位置碳化物分布较多，这弱化了晶界的强度，导致材料脆性增加。断口分析表明：晶界位置可见少量微裂纹，这进一步验证了碳化物弱化晶界，导致晶界处在外力作用下形成微裂纹。在S136钢模具压铸或锻压成型过程中，模具受到外界载荷作用，碳化物分布较多的晶界因强度较低而产生微裂纹，裂纹进一步扩展导致模具整体开裂。综合以上分析，S136钢模具断裂的原因是其晶界存在的大量碳化物，导致材料脆性增加。

3 结论

S136钢模具断裂的原因是其晶界处存在的大量碳化物，导致材料强度降低脆性增加，在外部载荷作用下萌生裂纹并扩展。