材料失效案例分析

1、材料失效案例分析材料失效案例分析 指導(dǎo)老師：李榮華指導(dǎo)老師：李榮華 姓姓 名：名： 學(xué)學(xué) 號：號：1 1失效分析簡介 提高機械產(chǎn)品信譽，必須使機械產(chǎn)品牢固可靠，可是在技術(shù)上要求機械產(chǎn)品達到100的可靠性是不可能的，所以要求盡可能地降低機械產(chǎn)品的事故率。因為機械產(chǎn)品在使用過程中常常發(fā)生斷裂、變形、磨損、腐蝕等失效現(xiàn)象的發(fā)生，找出失效原因和提出改進措施，必須開展失效分析實例的研究。 目前，隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛躍發(fā)展，失效分析已經(jīng)成為一門綜合性學(xué)科。它不僅與斷裂力學(xué)、斷裂物理、斷口學(xué)等學(xué)科相關(guān)聯(lián)，而且還涉及產(chǎn)品質(zhì)量全面管理等領(lǐng)域。2 2失效的基本概念失效是指機械或機械零件在使用過程中（或者是在使用前

2、的試驗過程中），由于尺寸、形狀、材料的性能或組織發(fā)生變化而引起的機械或機械零件部件不能完滿地完成指定的功能，或者機械構(gòu)件喪失了原設(shè)計功能的現(xiàn)象。常見的失效形式可分為下列四種：彈性變形失效；塑性變形失效；破斷或斷裂失效；材料變化引起的失效。機械或機械零部件失效部位可出現(xiàn)如下兩種情況：物體內(nèi)部缺陷引起的失效；物體表面缺陷引起的失效。3 3失效的類型斷裂失效：斷裂是指金屬，或合金材料，或機械產(chǎn)品的一個具有有限面積的幾何表面的分離過程。變形失效：所謂變形通常是指機械構(gòu)件在外力作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。磨損失效：磨損是指金屬或合金的兩個相互緊密結(jié)合的面相對運動時，因相互接觸而損傷的現(xiàn)象。腐蝕失

3、效：腐蝕是指金屬或合金材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的損傷現(xiàn)象。4 4失效分析失效分析 失效分析是指分析研究機械構(gòu)件的斷裂、變形、磨損、腐蝕等失效過程的特征或規(guī)律，并從中找出損壞的原因的一門新的分析技術(shù)，稱為“失效分析”或“失效分析學(xué)”，還有人稱之為“事故分析”或“故障分析”等。5 5失效分析的目的防止同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生失效分析是機械產(chǎn)品設(shè)計、制造的依據(jù)消除隱患，確保產(chǎn)品安全可靠失效分析可以提高產(chǎn)品的信譽6 6失效分析方法 機械構(gòu)件在使用過程中常常發(fā)生磨損、腐蝕、變形和斷裂等損壞現(xiàn)象，造成嚴重事故的例子是舉不勝舉的。人們?yōu)榱朔乐箼C械構(gòu)件的損壞，特別是突然斷裂損壞現(xiàn)象的發(fā)生及提高材料的使

4、用壽命，很早就開始對機械構(gòu)件損壞的原因進行分析和研究，并據(jù)此提出防止類似事故再度發(fā)生的改進措施。這樣就形成了一門新的分析技術(shù)，稱之為“失效分析”或“事故分析”。7 7失效分析的步驟 在進行失效分析時，首先要了解失效分析程序。原始資料的收集碎片（或斷片）的選擇與保存失效部位分析化學(xué)、力學(xué)、物理等試驗分析綜合分析8 8發(fā)動機零件失效案例分析 發(fā)動機是使用極其廣泛的動力機械, 零部件處于不同工作條件下, 往往產(chǎn)生不同的失效形式。即使是同一零件, 產(chǎn)生相同的失效形式, 也可能是不同原因引起。 下面列舉幾個列舉幾個發(fā)動機零件失效案例并進行分析。9 91.曲軸疲勞斷裂失效 該曲軸經(jīng)檢修后, 運行了6 00

5、0 km , 在連桿頸與主軸頸之間的曲柄臂處發(fā)生斷裂，如下圖1所示1010斷口形貌分析斷口形貌分析 斷口宏觀照片見圖2。斷裂面的宏觀形貌示意圖見圖3。由圖2及圖3可見, 該曲軸為典型的疲勞斷裂。 1111 為了查明曲柄臂斷裂原因, 必須首先分析兩個裂紋源中哪個是最初裂紋源。 1212斷裂原因斷裂原因分析分析 疲勞裂紋源產(chǎn)生的主要原因一般是材質(zhì)不良和加工不當。 該曲軸的材質(zhì)為經(jīng)調(diào)質(zhì)處理的球墨鑄鐵, 其化學(xué)成分、金相組織和力學(xué)性能都符合設(shè)計要求。從機械加工來看, 該曲軸連桿頸與曲柄臂相交的的圓弧加工質(zhì)量太差。其圓弧的形狀如圖5所示。13132.曲軸連桿頸磨損失效 某轎車發(fā)動機曲軸的照片如圖6所示。

6、在其第三連桿頸表面存在較為嚴重的拉傷現(xiàn)象, 并產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋(龜裂) 。 連桿頸表面拉傷的的宏觀形貌如圖7所示。透過拉傷痕跡, 可見到連桿頸表面存在網(wǎng)狀裂紋, 其金相照片分別示于圖8。1414連桿頸表面拉傷的機理連桿頸表面拉傷的機理分析分析 連桿頸與連桿瓦是一對摩擦副。在曲軸正常運轉(zhuǎn)的情況下, 連桿頸與連桿瓦之間有一層潤滑油薄膜起潤滑作用, 并將兩個摩擦表面隔開。檢驗發(fā)現(xiàn), 該曲軸笫三連桿頸表面無潤滑油,連桿頸與連桿瓦之間呈現(xiàn)較為嚴重的干摩擦現(xiàn)象。在潤滑失效的情況下, 兩個摩擦表面的金屬直接接觸, 便產(chǎn)生粘著磨損。 1515 當曲軸在高速、高負荷條件下運轉(zhuǎn)時, 摩擦表面顯微凸起部分的金屬不斷產(chǎn)生

7、粘著磨損, 使金屬表面沿著滑動摩擦方向形成粗糙的條帶或溝槽, 即所謂“拉傷”痕跡。1616連桿頸表面裂紋的機理連桿頸表面裂紋的機理分析分析 隨著拉傷過程的發(fā)展, 摩擦表面愈加粗糙而產(chǎn)生大量熱量, 這種熱量將使連桿頸淺表層金屬產(chǎn)生兩方面的影響: （1） 淺表面金屬迅速加熱后體積膨脹, 在隨后的冷卻過中, 由于體積迅速收縮受到內(nèi)層金屬的阻礙, 而在淺表層內(nèi)產(chǎn)生了拉應(yīng)力。 （2） 摩擦產(chǎn)生的熱量足以使連桿頸淺表層經(jīng)過表面淬火的金屬產(chǎn)生回火現(xiàn)象, 使硬度降低, 并使鋼材的比容減小導(dǎo)致體積收縮。表層的體積收縮同樣受到內(nèi)層金屬的阻礙, 而在其中引起拉應(yīng)力。這兩種拉應(yīng)力往往都是雙向應(yīng)力。淺表層金屬在這種雙向

8、應(yīng)力的作用下極易產(chǎn)生網(wǎng)狀裂紋, 即所謂“龜裂”。 該曲軸第三連桿頸摩擦副產(chǎn)生干摩擦的原因,在于發(fā)動機潤滑系統(tǒng)未能正常發(fā)揮作用。由于金屬中的裂紋是不可修復(fù)的缺陷, 在裂紋尖端應(yīng)力場強度因子作用下, 將促使裂紋逐漸擴展, 直至曲軸斷裂, 因此該曲軸應(yīng)作報廢處理。17173.氣缸套裂紋失效 發(fā)動機中氣缸套與活塞環(huán)為一對摩擦副, 為提高氣缸套的耐磨性, 在材質(zhì)上采用高磷鑄鐵鑄造而成。 本案例的氣缸套形狀示于圖10a, 其內(nèi)表面上端產(chǎn)生了如圖10b所示的長約70 mm 的裂紋, 圖10c為從內(nèi)表面穿透到外表面的裂紋。1818氣缸套材質(zhì)化學(xué)成分分析該氣缸套材質(zhì)化學(xué)成分的光譜分析結(jié)果為: C3116%、Si

9、 1175%、Mn 0190%、P 0125%、S0112%。根據(jù)JB / T2330 - 1993 內(nèi)燃機高磷鑄鐵氣缸套金相檢驗標準, 對 200mm 的氣缸套要求其含磷量應(yīng)大于015%。因此, 該氣缸套的材質(zhì)是不符合要求的。1919氣缸套材質(zhì)的金相分析 根據(jù)內(nèi)燃機高磷鑄鐵缸套金相檢驗標準,對該氣缸套材質(zhì)中的石墨、珠光體基體及磷共晶進行了檢驗。石墨形狀示于圖11a, 呈菊花狀, 合格。珠光體基體示于圖11b, 呈粗片狀, 屬合格范疇。2020 材質(zhì)中的磷共晶是決定高磷鑄鐵力學(xué)性能的關(guān)鍵組織, 可從磷共晶的分布及組成上來分析。圖12a所示為磷共晶分布的金相照片, 磷共晶的網(wǎng)孔直徑較大, 最大可達0.43 mm , 磷共晶呈較為嚴重的枝晶分布, 增加了材質(zhì)的脆性。圖12b為珠光體基體上分布的磷共晶(白亮塊狀物)金相