某公司生产的铝型材挤压杆仅使用数月即发生断裂失效，裂纹沿着退刀槽凸起的棱边形成。挤压杆杆身与杆座之间的截面突变处未加工过渡圆弧，而以退刀槽连接，杆座的圆头键槽拐角处萌生了裂纹，并对称地扩展至边缘。挤压杆变截面处的过渡圆弧半径要求为50 mm，材料为H13钢，热处理硬度要求为46.0～48.0 HRC。挤压杆的加工工艺为：毛坯下料→锻造→退火→机加工→热处理→精车→装机，其中热处理工艺为经500，800 ℃两级预热，1 050 ℃×4～6 h箱式炉保温，油冷，最后580～600 ℃×10 h箱式炉内回火3次。为查找该H13钢挤压杆断裂失效的原因，笔者通过化学成分分析、断口宏微观分析、金相检验、硬度测试等方法，对该挤压杆进行了分析，并对原材料质量控制、锻造、热处理及安装等工艺提出了相应的改进措施。

1 理化检验

1.1 化学成分分析

在断口区域取样，采用SPECTRO LAB M10直读光谱仪进行化学成分分析，结果见表1，可见各元素含量均符合ASTM A681-08 Standard Specification for Tool Steels Alloy对H13钢成分的要求。

 

表1 H13钢挤压杆的化学成分(质量分数)Tab.1 Chemical compositions of H13 steel extrusion rod (mass fraction) %

  

项目CSiMnPSCrMoV实测值0．430．810．260．0210．0045．061．150．80标准值0．32～0．450．80～1．250．20～0．60≤0．030≤0．0304．75～5．501．10～1．750．80～1．20

1.2 断口宏微观分析

断裂挤压杆宏观形貌如图1所示，可见断裂位于退刀槽凸起的棱边处。断裂挤压杆的断口宏观形貌如图2所示，可见整个断口可清晰的分为裂纹萌生区、裂纹扩展区和瞬断区，裂纹源于整个表面向内扩展，沿外圆有一圈呈氧化色的偏心圆环，为裂纹扩展区，其前沿可见清晰的贝纹线，瞬断区呈银灰色，面积约占断口总面积的4/5，为高应力疲劳断口。

  

图1 断裂挤压杆宏观形貌Fig.1 Macroscopic morphology of the fractured extruded rod

  

图2 断裂挤压杆断口宏观形貌Fig.2 Macroscopic morphology of fracture of the fractured extruded rod

采用蔡司ΣIGMA高分辨场发射扫描电镜(SEM)进行断口微观分析，裂纹源呈较严重的氧化锈蚀特征，如图3所示；裂纹扩展区的贝纹线形貌如图4所示，疲劳辉纹如图5所示；瞬断区呈准解理特征，如图6所示。

1.3 金相检验

沿断口区域取样磨抛成纵向金相试样，采用蔡司Axiovert 25CA光学显微镜进行观察。依据GB/T 10561-2005《钢中非金属夹杂物含量的测定——标准评级图显微检验法》对非金属夹杂物含量进行评定，结果为：A(细)0.5级，B0级，C0级，D(细)0.5级。

  

图3 裂纹源处微观形貌Fig.3 Micro morphology of the crack source

  

图4 裂纹扩展区贝纹线微观形貌Fig.4 Micro morphology of the shellfish lines of the crack growth region

  

图5 裂纹扩展区疲劳辉纹微观形貌Fig.5 Micro morphology of fatigue striations of the crack growth region

  

图6 瞬断区准解理微观形貌Fig.6 Micro morphology of quasi-cleavage of the transient region

图7为基体呈树枝状成分偏析形貌，可见基体显微组织不均匀，树枝状成分偏析严重，呈黑白相间的网络状分布，图8中灰色区域是碳及合金元素富集区，该区域抗回火稳定性高，显微组织不易被侵蚀[1]，按GB/T 6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》评定晶粒度为9级。

富碳富合金元素区的显微组织为隐针马氏体+密集点状未溶解碳化物+尖锐的块状共晶碳化物+残余奥氏体，如图9所示。碳化物偏析带两侧是贫碳贫合金元素区域，显微组织为粗大的下贝氏体+回火马氏体+较多的残余奥氏体，下贝氏体呈黑色，回火马氏体呈灰色，如图10所示。

  

图7 基体树枝状成分偏析形貌Fig.7 Morphology of the dendrite segregation of the matrix

  

图8 富碳富合金区的显微组织形貌Fig.8 Microstructure morphology of the rich-carbon and rich-alloying region

另外，企业要对利益相关者和渠道网络予以关注，完善产业链的基础上，积极建立健全合理性的经营管理模式，优化运营体系和基础结构，确保能在分支上建立上游、下游和谐化沟通的监督模式。

  

图9 富碳富合金元素偏析带显微组织形貌Fig.9 Microstructure morphology of the rich-carbon and rich-alloying element segregation band

  

图10 贫碳贫合金区的显微组织形貌Fig.10 Microstructure morphology of the poor-carbon and poor-alloying element regions

1.4 硬度测试

挤压杆工作时不仅受到压应力，还受到挤压杆与挤压筒安装时引起的偏心载荷作用，其工作状态可用偏心受压杆的力学模型来描述，无论轴向压应力与杆的轴线偏心距多小，弯曲变形都将随压应力增大而增大，并从次要变形转化为主要变形[2]，压应力是循环变值，因此挤压杆的服役应力为交变载荷。挤压杆分为端头、杆身及杆座，杆身与杆座之间的过渡部分做成锥形，并用光滑圆弧过渡，以避免应力集中，过渡圆弧加工不圆滑，如加工刀痕等，易造成挤压杆早期断裂。而该挤压杆杆身与杆座之间的变截面与加工图纸不符，未加工圆弧过渡，且误加工成退刀槽，槽口凸起的棱边产生应力集中(与平均计算应力相比高达数倍)，导致退刀槽的棱边成为弯曲疲劳裂纹源。

2 分析与讨论

采用HR-150A洛氏硬度计进行硬度测试，实测值为51.5，50.0，52.0 HRC，而挤压杆的设计硬度要求为46.0～48.0 HRC ，实测硬度高于设计要求，说明回火不充分。

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H13钢碳含量较低，但在某些H13钢中还是存在亚稳定的共晶碳化物，这些亚稳定的共晶碳化物一般要通过长时间扩散退火的方法来消除[3]。挤压杆的基体显微组织呈树枝状成分偏析，碳及合金元素的富集区与贫乏区显微组织差异大，说明材料未经充分的揉锻[4]，高温均匀化扩散退火未按规程进行。

不远处的空地上，燃着一大堆蓝色的火焰。族人们远远站在火堆的一侧，闭着眼睛，双臂于胸前交叉，与那图腾中的人形保持着同样的姿势，虔诚地低声祈颂。

挤压杆硬度高于设计要求，说明回火不充分，基体上存在较多的残余奥氏体，在后续的加工过程中不断地转变成马氏体导致残余内应力增大[5]；树枝状成分偏析产生附加组织应力，尖锐的共晶碳化物提高材料开裂的敏感性；在退刀槽凸起的棱边处，残余奥氏体将在高应力的作用下产生局部变形，导致残余奥氏体与共晶碳化物的界面上(或非金属夹杂物的尖端)萌生裂纹，这些微小裂纹逐步扩展并相互衔接，最终形成了宏观可见的周向裂纹，在偏心载荷的作用下进一步向内扩展，直至发生弯曲疲劳断裂。

3 结论及建议

该挤压杆杆身与杆座之间的过渡圆弧误加工成退刀槽而形成应力集中，且挤压杆回火不充分，有较高的残余内应力，显微组织不稳定，偏析组织产生附加组织应力及各向异性，使得退刀槽棱边萌生裂纹，在安装引起的偏心载荷作用下，导致挤压杆在服役初期产生弯曲疲劳断裂。

建议采用高温扩散退火提高挤压杆化学成分及显微组织的均匀性；坯料应进行6面锻造，锻造比要大于5，使枝晶偏析组织细化为纤维状组织，改善碳化物的不均匀分布；严格按加工图纸进行机加工，变截面应有光滑的圆弧过渡，建议将表面粗糙度减小至Ra≤3.2 μm；延长回火时间，采用580～600 ℃×12 h 3次回火，确保挤压杆的硬度达到设计要求；安装时将挤压杆对准挤压筒的中心，使挤压杆与挤压筒内孔之间的间隙均匀一致，以提高挤压杆的服役寿命。

李大钊指出：“宗教是向人们宣传廉价的妥协性的东西，它妨碍彻底探求真理的精神，是人类进步的巨大障碍。”[1]556众所周知，西方国家通过封建教会势力在思想上控制国家政权。以1840年鸦片战争为开端，帝国主义国家不仅通过武力形式侵略我国，并以其宗教或其他形式的意识形态对中国国民进行洗脑教育，至目前为止，从未放弃过在意识形态上对我国的侵略图谋。这不仅是对我国传统文化的侵蚀，更是对国家政权的威胁。

参考文献：

[1] 蔡美良. 新编工模具钢金相热处理[M]. 北京:机械工业出版社,1998.

[2] 胡焱. 挤压轴破坏成因与对策[J]. 铝加工,2010,33(2):29-31.

[3] 焦国祥,张小聪,陈国辉. H13钢热挤压模开裂分析[J]. 理化检验(物理分册),2010,46(11):728-730.

[4] 金林奎,赵建国,王春亮，等. H13钢上顶杆模具的早期断裂分析[J]. 理化检验(物理分册),2015,51(9):657-660.

[5] 董海燕,吴龙祥,李辉. H13钢外套早期开裂分析[J]. 理化检验(物理分册),2013,49(9):634-636.