钟 培 道
北京希诺曼刀具科技有限公司
二OO四年三月二十二日
前 言 肉类机械加工刀具，特别是斩拌机刀具，在使用中发生裂纹甚至断裂事故的情况，时有发生，引起业内人士的极大关注。为此，我们对某厂使用断裂的刀具实物，采用失效分析的手段，进行了分析研究。以期对断裂发生的原因与当前肉类刀具存在的问题寻找科学的依据。并以此为鉴，提出改进与避免发生类似故障的措施和方法。 本文作者钟培道，系失效分析专家，受托主持了此次分析研究工作。钟培道先生系北京航空材料研究院研究员，国家安全生产专家组航空组组长，中国金属学会特殊钢不锈钢学会理事，中国机械工程学会失效分析委员会委员。曾任北京航空材料研究院黑色金属研究室副主任，中国航空工业失效分析中心主任。先后获国家发明三等奖1项，部级成果奖一等2项、二等2项、三等6项，与他人合作编写公开出版发行的著作8部，在国内外学术会议与刊物上发表的论文一百余篇。
肉类加工刀具断裂失效分析1. 概述 对目前市场上使用的斩拌机刀具(系国内厂家生产)和乳化机孔板(系国外厂家生产)所出现的断裂失效现象进行了分析。其目的是分析引起这两类刀具失效的原因与所存在的问题，并以此为借鉴，进一步改进新研刀具的质量，提高新研刀具的使用可靠性。 斩拌机刀具的外形如图1所示，其断裂部位见图1箭头所示。在其上取下断口和金相试样进行断口分析、硬度测定、金相组织和成分分析。 
图1 、斩拌机刀具外形与断裂部位(箭头所示) 乳化机孔板外形及断裂部位(图中箭头所示)见图2。该孔板已断成两块，除对断口进行分析外，还取金相试样进行了硬度测定、金相组织和成分分析。
图2 乳化机孔板外形和断裂部位(箭头所示)2. 试验结果 2.1 断口分析 2.1.1 斩拌机刀片的断裂特征 ⑴ 断裂宏观形貌 斩拌机刀具的断口宏观形貌如图3所示。断口表面氧化腐蚀较重，断裂起始于刀片刃口楔角一侧，其上有四个源区，裂纹向刀口背面扩展。断口扩展区为弧形，呈现出典型的宏观疲劳断裂特征。疲劳断裂区面积较小，约占整个断面面积的三分之一，其余三分之二为瞬时断裂区。这种形式的断裂一旦出现在高速运转过程中，断裂的刀片飞出，将会酿成不良后果，是一种严重的生产安全隐患，需引起高度重视。
图3 斩拌机刀具断口宏观形貌 1.2× ⑵ 断裂源区高倍形貌 对断口四个断裂起源区逐一进行了观察，并对其中的1#与3#源区进行了重点分析。 A. 图4和图5分别为1#源区的二次电子和背散射电子低倍形貌。可以看出，断裂起始于刀片表面，源区为点腐蚀坑有疲劳弧线。图6和图7分别为该源区的高倍形貌，其上有泥纹花样，为典型的氧化腐蚀特征。能谱分析结果表明，其氧化腐蚀产物有O、Na、Cl、K、Ca、S、P等。将断口表面上的氧化腐蚀产物用清洗法去除，其断面形貌见图8。从图4、图5、图6和图8可以看出，断面具有疲劳断裂特征。 
图4 1#源区二次电子低倍形貌
图5 1#源区背散射电子低倍形貌
图6 1#源区的高倍形貌
图7 1#源区的高倍形貌 B. 图9和图10分别为3#源区的低倍与高倍形貌。断裂也是起始于刀片表面的点腐蚀坑，坑内可见氧化腐蚀的泥纹花样。图11为该源区外侧堆积的腐蚀产物。图12为该堆积腐蚀产物的高倍形貌，同样为泥纹花样。经能谱半定量测定，该区成分为：C=1.86%，O=7.37%，Na=4.85%，Cl=4.85%，K=6.51%，Ca=5.38%，S=5.82%，P=0.15%，Fe=63.27%。图13为氧化腐蚀产物清洗后的断面形貌，其上具有较明显的疲劳弧线。 C. 2#和4#断裂源区的特征，与1#和3#基本相似。断裂均是起始于刀片表面点腐蚀坑，坑内也都有氧化腐蚀产物与泥纹花样，断面上亦可见疲劳断裂特征。
图8 1#源区经清洗后的形貌
图9 3#源区的低倍形貌
图10 3#源区的点腐蚀坑的泥纹花样
图11 与3#源区相对应处刀具表面的点腐蚀坑和坑内规程的腐蚀产物
图12 图11规程腐蚀产物的高倍貌
图13 3#源区经清洗后的形貌 2.1.2 乳化机孔板断裂特征 ⑴ 断裂宏观形貌 乳化机孔板断口低倍形貌见图14，断裂起始于各个孔的孔边，沿厚度方向快速扩展。整个断口呈现出中间平坦凹下，两边凸起。与起始边对应的另一侧有很窄的剪切唇。宏观未见疲劳断裂特征。
图14 乳化机孔板断口宏观形貌 1.5× ⑵ 断口高倍形貌 孔板孔边的高倍形貌见图15。断裂起始于孔边尖角处，放射棱线明显，且放敛于孔边尖角处，呈快速撕裂特征。源区表面氧化严重，氧化膜致密细小，见图16。高倍(500×)下，泥纹花样不明显。经能谱分析测定，除C、O、Fe和少量的Cr、Mn、Si外，无Na、Cl、K、Ca等腐蚀产物。呈现出高温氧化特征。 
图15 孔板孔边断裂形貌
图16 孔边断裂起始处氧化皮形貌 孔板右侧(图14右下角)的断口形貌见图17。断裂起始于角夹表面，也是撕裂特征，表面有较厚的氧化皮，见图18。
图17 孔板边角处断裂形貌
图18 孔板边角处断面氧化皮形貌 将氧化皮清洗去除后，3个孔边断裂形貌见图19，三个孔孔边上可见明显的分界线，且分界线从1~3呈由深到浅分布，距表面深度分别为1.0mm、0.8mm和0.6mm。 将氧化皮去除后的孔板边部断裂形貌见图19和图20。其上也有分界线，距角夹处深度约0.6mm，无疲劳断裂特征。 从上述各图看出，无论是孔边还是孔板角处，均无疲劳断裂特征。由于氧化皮较厚，难以清洗干净，断裂的微观形貌无法分辨。
图19 经清洗后孔边断裂形貌
图20 经清洗后孔板边角处断裂形貌
图21 图20放大 2.2 刀具成分测定 2.2.1 斩拌机刀片成分，见表1。  注：1. 1、2、3号系北京航空材料研究院测定，4、5号系北京矿冶研究总院测定。 2. *=∠Sigma 结果表明，该刀片主要成分与GB1299-85中的8MnSi钢相近。 2.2.2 乳化机孔板成分，见表2。  注：1、2、3号系北京航空材料研究院测定，4号系北京矿冶研究总院测定。 结果表明，该孔板主要成分与GB1299-85中的9Mn2V钢相近。 2.3 硬度测定 2.3.1 斩拌机刀片硬度 ⑴ 显微硬度测试结果见表3。  ⑵ 洛氏硬度在中心部位测三点。 HRC 45.5 46.0 45.5 显微硬度与洛氏硬度所测结果相近，该刀片的硬度值为HRC44~46之间(边部除外)。 2.3.2 乳化机孔板 ⑴ 显微硬度测试结果见4。 ⑵ 在孔板上任测四点洛氏硬度 HRC 55.0 58.5 58.5 58.5 由以上结果可以看出，该孔板的硬度值(HRC)在56~58之间。  2.4 金相组织 2.4.1 斩拌机刀片 在斩拌机刀片切取横剖面，制样进行金相组织观察，各区的组织为：表层有一白亮区，见图22，经能谱分析，定性为镀铬层；靠铬层处的组织见图23。有脱碳特征；中心组织见图24、图25，为回火马氏体+碳化物。 
图22 斩拌机刀片表层组织 50×
图23 斩拌机刀片表层组织 500×
图24 斩拌机刀片中心区组织 500×
图25 斩拌机刀片中心区组织 1000× 2.4.2 乳化机孔板组织 在孔板上切取金相试样进行组织观察，各区的组织为：孔与孔之间的低倍组织见图26；孔边的金相组织见图27；中心区的组织见图28、图29，为回火马氏体+碳化物，孔边与中心区组织无差异，孔边缘有一层约1.0μm厚的白亮带。
图26 乳化机孔板低倍组织 30×
图27 乳化机孔板孔边组织 1000×
图28 乳化机孔板中心区组织 1000×
图29 乳化机孔板中心区组织 500×3 分析与讨论 3.1 断裂失效的性质与原因分析 3.1.1 斩拌机刀片 该刀片断口在宏观与微观上均显示出疲劳断裂特征，这表明该刀片属疲劳断裂失效。断裂起源于点腐蚀坑。因此，该刀片是在点腐蚀损伤处引起应力集中，在交变的离心载荷作用下而导致疲劳断裂失效。由于点腐蚀产生在镀铬层损伤或脱落处，因此，防止镀铬层的损伤与脱落是防止该刀片断裂失效的关键。 3.1.2 乳化机孔板 孔板断口在宏观上与微观上均未见疲劳断裂特征，而呈现出二次撕裂特征。起始区约0.6~1.0mm深的表面上，有高温氧化皮。上述特征表明，该孔板孔边已存在约0.6~1.0mm深的淬火裂纹，在工作载荷作用下，在淬火裂纹处引起高的应力集中而导致断裂。 3.2 所用材料分析 对两刀具材料成分虽只用能谱仪进行分析，但北京航空材料研究院与北京矿冶研究总院两家多点测量结果，其主要成分相近(表1与表2)。将测得结果与GB1299-1985对照得出： ⑴ 斩拌机刀片为8MnSi合金工具钢制造。 ⑵ 乳化机孔板为9Mn2V合金工具钢制造。 3.3 热处理工艺分析 3.3.1 斩拌机刀片 根据斩拌机刀片的材料成分、硬度和金相组织测试结果，该刀片的热处理工艺为：800℃~820℃油淬，回火温度为500℃左右。 3.3.2 乳化机孔板 根据乳化机孔板的材料成分、金相组织和硬度测试结果，孔板的热处理工艺为：780℃~810℃油淬，回火温度为200℃左右，然后进行激光打孔。或者在退火状态下用电火花打孔，然后经780℃~810℃油淬，在200℃左右回火。 4 结论 ⑴ 斩拌机刀片为疲劳断裂失效，断裂起源于表面点腐蚀坑，该刀片采用8MnSi合金工具钢制造，热处理工艺为800℃~820℃油淬，500℃左右回火。 ⑵ 乳化机孔板为过载断裂，断裂起源于孔边淬火裂纹，孔板采用9Mn2V合金工具钢制造，热处理工艺为780℃~810℃油淬，200℃左右回火。 5 改进措施建议 根据以上分析结果，为了防止肉食品在加工过程中的接触污染并提高刀具的使用可靠性与安全性，对肉类加工刀具，尤其是用于斩拌机一类高速旋转的刀具，建议选用马氏体型不锈工具钢制造。普通工具钢如9SiCr或8MnSi其强韧性低，不仅对肉食有接触污染，而产生点状腐蚀，形成断裂之源。如果采取普通工具钢加镀层的方法，在大应力作用下，镀层易脱落或裂开，镀铬层的局部损伤或脱落处与基体发生电化学腐蚀而产生腐蚀坑，更易产生断裂根源。 |