地磅傳感器彈性體會(huì)出現(xiàn)開(kāi)裂的情況，要如何解決呢?今天上海地磅廠(chǎng)家給大家分析一下原因和處理方案。
傳感器彈性體開(kāi)裂原因
1.試驗(yàn)方法。采用光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡分析失效彈性體裂紋和斷口特征，掃描電鏡型號(hào)JXA-840AEPMA;用X衍射技術(shù)分析失效彈性體表面殘留物成分，X衍射儀型號(hào)D/max—rC，掃描角度10°?80°，掃描速度3°/min;用ANSYS有限元軟件分析彈性體受載時(shí)彈性體六角頭應(yīng)力分布。
2.失效分析。失效開(kāi)裂2Cr13彈性體化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))如下：C為0.195%，Mn為0.23%，P為0.027%，S為0.01%，Si為0.50%，Cr為12.52%，Ni為0.12%，Cu為0.12%，V為0.02%，其余為Fe。彈性體采用真空熱處理，彈性體屈服強(qiáng)度要求大于1000MPa。沿失效彈性體縱向制備小型拉伸試棒測(cè)試力學(xué)性能，結(jié)果為抗拉強(qiáng)度1470MPa,屈服強(qiáng)度1100MPa，延伸率11.5%，斷面收縮率50%，硬度46HRC。彈性體工作時(shí)，六角頭部位垂直朝下，彈性體六角頭與連接件接觸，該彈性體工作時(shí)承受的垂直壓力一般在10?30噸之間。表面殘留物提取及清洗后，失效2Cr13彈性體如圖1(a)所示。六角頭上出現(xiàn)多條裂紋，裂紋均起源于六角頭側(cè)面，然后向六角頭心部延伸。在距離彈性體端部6mm深處橫向切開(kāi)六角頭，試樣經(jīng)研磨拋光和超聲波清洗。圖1(b)顯示，該部位彈性體已被裂紋貫穿，距離彈性體端面一定距離處要先于彈性體端面形成貫穿裂紋，這和彈性體受壓時(shí)六角頭端面受壓應(yīng)力而側(cè)面一定范圍內(nèi)受拉應(yīng)力有關(guān)。
選取圖1(b)中C、D部位制備試樣，試樣經(jīng)酸蝕后微觀組織分別對(duì)應(yīng)于圖(c)和圖(d)，基體為回火馬氏體組織，晶粒度7級(jí)。由圖1(c)、1(d)可見(jiàn)，裂紋起源于彈性體表面，然后沿晶界向內(nèi)部發(fā)展，并呈“樹(shù)根”狀分布。用X衍射技術(shù)分析失效彈性體表面殘留物成分，殘留物X衍射結(jié)果見(jiàn)圖2。X衍射結(jié)果顯示彈性體使用
環(huán)境中含有大量硫化物，掃描電鏡能譜進(jìn)一步分析表明，殘留物中硫元素含量達(dá)到4.0%(重量百分比)
采用ANSYS有限元軟件，選用Solid45單元建模并分析彈性體軸向受載30噸時(shí)的應(yīng)力分布，彈性體六角頭分析結(jié)果見(jiàn)圖3。六角頭端面是半徑為160mm球面，彈性體軸向受壓時(shí)，六角頭端面受壓應(yīng)力，邊緣受拉應(yīng)力，應(yīng)力是從六角頭中心部位受壓逐步向邊緣受拉過(guò)渡。計(jì)算表明，六角頭zui大拉應(yīng)力不在端面邊緣，而是在距離端面6?9mm處六角頭側(cè)面的小平面上(圖1(a)箭頭所示)，六角頭側(cè)面上周向zui大拉應(yīng)力為127MPa(圖3中MX表示)。有限元分析結(jié)果和圖1(a)、1(b)裂紋特征一致。
失效彈性體化學(xué)成分、力學(xué)性能和晶粒度的測(cè)試結(jié)果正常，彈性體采用真空熱處理，加之該彈性體材料碳含量為0.195%，可排除淬火裂紋可能性。失效彈性體存在多個(gè)裂紋源，裂紋沿晶界擴(kuò)展，并呈“樹(shù)根”狀分布，裂紋具有應(yīng)力腐蝕特征。拉應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)是金屬發(fā)生應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的兩個(gè)*外部條件。有限元分析表明，當(dāng)彈性體受30噸加載時(shí)，彈性體六角頭側(cè)面存在zui大127MPa拉應(yīng)力，雖然拉應(yīng)力值遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度，但對(duì)于應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂，當(dāng)拉應(yīng)力超過(guò)該材料應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂門(mén)檻值時(shí)裂紋即萌生和擴(kuò)展。失效彈性體表面殘留物分析結(jié)果表明，該彈性體使用環(huán)境中存在大量FeS2，硫含量達(dá)到4.0%。在硫化物環(huán)境中，不銹鋼抗應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂能力將被大大削弱，硫化物致使不銹鋼開(kāi)裂已有大量的文獻(xiàn)報(bào)道，這些研究認(rèn)為，硫化物開(kāi)裂實(shí)際上是氫脆所致。2Cr13雖屬不銹鋼，但其碳高、鉻低，中溫回火可導(dǎo)致晶界貧鉻和回火脆性，促進(jìn)應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂。
此外，因彈性元件性能需要，彈性體屈服強(qiáng)度高于1000MPa，在硫化物環(huán)境中，當(dāng)不銹鋼強(qiáng)度超過(guò)690MPa，材料將有明顯應(yīng)力腐蝕傾向，應(yīng)力腐蝕傾向隨材料強(qiáng)度增加而顯著。
改進(jìn)措施
傳感器彈性體選用2Cr13馬氏體不銹鋼，2Cr13淬火后經(jīng)高溫回火具有良好的抗弱腐蝕介質(zhì)能力和綜合機(jī)械性能，其調(diào)質(zhì)態(tài)組織在汽輪機(jī)、醫(yī)療器械和塑料模具等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。中溫回火條件下，2Cr13鋼還具有較高的屈強(qiáng)比和優(yōu)良的滯彈性、常溫蠕變等性能，該鋼還可作為稱(chēng)重傳感器彈性體使用。作為傳感器的關(guān)鍵元件，彈性體強(qiáng)度對(duì)傳感器性能起到至關(guān)重要作用。為保證傳感器計(jì)量性能，對(duì)傳感器彈性體加工工藝采取兩點(diǎn)改進(jìn)措施：①不銹鋼淬火溫度控制在1000°C左右，采用保護(hù)氣氛或真空，延長(zhǎng)回火時(shí)間，回火溫度控制在200C?250C之間;②采用電鍍——鍍銘的表面處理方法。經(jīng)調(diào)整彈性體熱處理工藝和表面處理方式，2Cr13彈性體熱處理后屈服強(qiáng)度要求高于1000MPa。試驗(yàn)表明，新工藝傳感器應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性指數(shù)從以前的70%降到了12%。
應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證
1.應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)。采用慢應(yīng)變應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)方法(SSRT)驗(yàn)證和對(duì)比工藝改進(jìn)前后2Cr13彈性體抗應(yīng)力腐蝕能力，應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)條件：常溫，應(yīng)變速率4.17X10-5S-1，3.5%NaCl+0.5%HAc水溶液。有限元分析表明，當(dāng)彈性體受30噸加載時(shí)，彈性體六角頭側(cè)面存在zui大103MPa拉應(yīng)力，較未改進(jìn)工藝前有所減小。
2.現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用驗(yàn)證。該傳感器生產(chǎn)工藝改進(jìn)后，于2006年7月份安裝應(yīng)用，至今未出現(xiàn)類(lèi)似現(xiàn)象，其計(jì)量性能良好，該地磅經(jīng)多次檢定均合格，且檢定數(shù)據(jù)證明各項(xiàng)指標(biāo)良好，改進(jìn)后的傳感器性能良好現(xiàn)仍在應(yīng)用。
結(jié)論
1.應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂是GD傳感器開(kāi)裂的根本原因。硫化物環(huán)境和彈性體受載時(shí)六角頭側(cè)面形成的拉應(yīng)力是GD彈性體應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂的誘導(dǎo)因素。
2.經(jīng)調(diào)整彈性體熱處理工藝和表面處理方式，SSRT試驗(yàn)表明，新GD應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂敏感性指數(shù)從以前的70%降到了12%。
3.特殊環(huán)境下工業(yè)企業(yè)在選擇地磅時(shí)，應(yīng)當(dāng)對(duì)使用環(huán)境加以明示，并保證地磅的使用環(huán)境達(dá)到使用要求。