超詳細10類典型失效分析案例詳解
2024-12-03 13:54:23
作者：熱處理生態(tài)圈 來源：熱處理生態(tài)圈
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如何快速、準確地查找失效原因，并提出切實可行的改進措施及建議，進而完善裝備，確保和提高裝備的質(zhì)量和可靠性，從而達到預測和預防機械裝備失效的目的，是失效分析工作者的不懈追求。今天給大家分享《失效分析150》這本書中的兩個典型的案例失效背景：在20余臺重載履帶車輛共6000多個端聯(lián)器螺栓中有3個螺栓斷裂，失效率 為0.044%。失效螺栓均是在使用初期斷裂，見圖1-1，螺栓斷面形貌見圖1-2。圖1-1的失效螺栓是一條新履帶裝車行駛1km后停車維護時，出現(xiàn)突然斷裂。螺栓頭部一段從端聯(lián)器中間的光孔中掉落，有螺紋的另一段殘留在端聯(lián)器上的螺紋孔中。螺栓的服役條件在靜止時受預緊靜拉力，運動時受預緊靜拉力加交變切向力。失效特征：從圖1-2螺栓斷裂面看出，斷口呈起伏狀，無塑性變形，個別區(qū)域有面積大小不等的小平面，整個斷面上無冶金缺陷。斷裂源只有一個，起始于斷面外側(cè)的螺紋根部應力集中處，斷裂源寬約1mm，在半徑2mm內(nèi)的區(qū)域內(nèi)較平坦，斷裂源兩側(cè)10mm外的其余斷面外圓處有1mm左右的拉邊，斷面主要由沿晶、冰糖狀、大量的晶間微裂紋組成，整個斷裂面上各個小平面之間沒有顯著的分界線，也沒有疲勞斷裂中的貝紋線，呈現(xiàn)出典型的無塑性脆性斷裂形態(tài)。綜合分析：理化檢測的化學成分、非金屬夾雜物、晶粒度及熱處理質(zhì)量的結(jié)果表明，原材料、螺栓制造質(zhì)量均滿足技術(shù)要求。螺栓的基體金相組織見圖1-3，微觀掃描斷口形貌見圖1-4。查找生產(chǎn)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)當初螺栓擰緊裝配時，實際擰緊力矩遠大于設(shè)計規(guī)定的力矩。為對比分析，取9枚螺栓實物（8枚已使用無問題的螺栓，1枚未使用螺栓），進行強斷拉伸試驗。螺栓拉伸試驗斷口的斷裂源也同樣位于一側(cè)螺紋根部應力集中處，屬于線斷裂源，斷口形貌平齊，見圖1-5。斷口微觀形貌見圖1-6。兩種斷口形貌對比見表1-1。
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斷裂源附近的斷面主要為沿晶斷裂，呈冰糖 狀，無明顯塑性變形，還有少量韌窩。各晶粒之 間分布有許多二次裂紋，屬脆性斷裂 |
斷口的斷裂源區(qū)及擴展區(qū)均由穿晶斷裂的淺韌窩組 成，無二次晶間裂紋，是高強度材料正常韌性斷裂的斷 口形貌 |
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晶界有腐蝕，沿晶斷裂、少量韌窩，在斷口上有 二次裂紋，屬于應力腐蝕脆性斷裂斷裂源：點斷裂源（1mm）,起裂臨界應力小，剪 切拉邊小，拉邊只占斷口總面積的8%,韌性低 |
無晶界腐蝕，穿晶斷裂、淺韌窩組成，無二次晶間裂 紋，屬于韌性斷裂斷裂源：線斷裂源（7~llmm）,起裂臨界應力大。剪 切拉邊大，拉邊占到斷口總面積的25%?40%,韌性高 |
從表1-1中可看出：失效件斷口顯示螺栓在腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生了應力腐蝕，降低螺栓的綜合性能。失效原因：裝配擰緊力矩大于設(shè)計力矩的端聯(lián)器螺栓在腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生應力腐蝕后導致螺栓脆性斷裂失效。1） 加強裝配規(guī)范，確保履帶連接螺栓預緊力在裝配規(guī)范要求范圍內(nèi)（為增加可靠性，螺栓擰緊力矩上限值比原設(shè)計減少了 20%，安全系數(shù)由原來的1.2倍提升到1.6倍）。2） 調(diào)整熱處理工藝，螺栓強度由14. 9級降低到13. 9級，在強度指標得到保證的前提下，增加了螺栓的韌性，降低履帶連接螺栓產(chǎn)生應力腐蝕的敏感性。3） 在履帶連接螺栓表面增加了保護層，降低環(huán)境對螺栓斷裂的應力腐蝕影響程度。失效背景：某汽車車輛發(fā)動機曲軸的主要制造工藝為毛坯鍛造、正火、調(diào)質(zhì)處理、機械加工、軸頸圓角及主軸頸表面高頻感應淬火和精磨。進行精磨工序時，在與曲軸軸頸垂直的磨削平面上發(fā)現(xiàn)細小裂紋。失效特征：磁粉檢測后裂紋的宏觀形貌見圖2-1。裂紋大致相互平行，垂直于磨削方向，排列規(guī)則，呈細小、聚集、斷續(xù)串接特征。軸頸圓角及主軸頸高頻感應淬火層深度為3?6mm，與軸頸垂直的磨削平面高頻感應淬火層最深為8mm，見圖2-2，均超過產(chǎn)品技術(shù)要求。圖2-1磁粉檢測后裂紋的宏觀形貌 圖2-2組織分布及宏觀偏析經(jīng)顯微組織觀察，裂紋為等深裂紋，深度約為0.20mm，中間寬兩頭細；裂紋起源于次表層即拉應力最大處，沿帶狀組織擴展，見圖2-3；有些與基體中的非金屬夾雜物連通，裂紋兩側(cè)及尾部無氧化脫碳現(xiàn)象；零件帶狀偏析嚴重，帶狀組織參照GB/T 13299-1991評為4級，見圖2-4。綜合分析：由于感應淬火層深過深，在鍛件分模面處表面形成較大的殘余拉應力。磨削產(chǎn)生的磨削熱使零件表面的偏析帶產(chǎn)生組織變化和硬度變化，同時也改變了殘余應力狀態(tài)。當產(chǎn)生的殘余拉應力超過自身的抗拉強度時，在零件次表層即拉應力最大處萌生裂紋源，導致磨削裂紋。失效原因：原材料帶狀組織缺陷和磨削工藝不當產(chǎn)生磨削裂紋。改進措施：嚴格控制原材料質(zhì)量，保證基體帶狀組織正常，改善零件磨削性能；通過加大磨削冷卻液容量和減少磨削進給量，降低磨削溫度，避免相變發(fā)生；在磨削前增加低溫回火工序，減少殘留奧氏體量，同時大大降低殘余應力。
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