零件失效分析及预防.doc

中国电子电器可靠性工程协会汽车技术委员会零件失效分析及预防（零件失效分析及预防高级研修班讲义）主讲 清华大学机械系 朱张校教授中国电子电器可靠性工程协会汽车技术委员会零件失效分析及预防讲义目录1、零件的失效及其危害性2、零件失效分析工作内容和意义3、零件失效形式4、零件失效基本原因5、失效分析步骤6、失效分析技术简介 7、断裂失效分析8、磨损失效分析9、腐蚀失效分析10、机械、汽车、航空、建筑机械、电气设备零件失效分析案例 11、零件失效的预防 12、零件失效分析报告汽车技术和标准相关培训 韩老师 Tel-mail： 第一章零件的失效及其危害性一、 零件的失效失效 零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。如：沙发弹簧弹性丧失 汽车变速箱齿轮磨损电动机轴断裂二、零件失效的危害性1、零件失效，导致机械不能正常工作，降低生产效率，降低产品质量，误工误事。 例：冷冲模具磨损失效2、零件失效，导致机械不能工作，停工停产，造成重大经济损失。例：黄河刘家峡水电站22.5万千瓦水轮发电机风叶掉脱，刮坏全部定子线圈，直接损失257万元。3、零件失效，导致机毁人亡第二章零件失效分析工作内容和意义一、零件失效分析零件失效分析:判断零件失效性质、分析零件失效原因、研究零件失效的预防措施的技术工作。二、零件失效分析工作内容1、判断零件失效性质 畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。2、分析零件失效原因 设计、材料、加工、装配、使用、维护。3、研究零件失效的预防措施 修改设计？更换材料？改进加工？合理装配？正确使用？及时维护？三、零件失效分析意义1、减少和预防同类机械零件的失效现象重复发生，提高产品质量，提高产品竞争力。如：汽车拉杆断裂失效及热处理工艺改进2、分析机械零件失效原因，为事故责任认定、侦破刑事犯罪案件、裁定赔偿责任、保险业务、修改产品质量标准等提供科学依据。 3、为企业技术开发、技术改造提供信息，增加企业产品技术含量，从而获得更大的经济效益。 第三章零件失效形式一、 畸变失效 尺寸畸变或体积畸变(长大或缩小) 形状畸变(如弯曲或翘曲) 发生畸变的零件不能承受所规定载荷，不能起到规定的作用，与其他零件的运转发生干扰，导致零件失效。1、弹性畸变失效 不恰当的弹性变形量导致失效。 受拉、压的杆类零件，过大的弹性畸变量导致支承件(如轴承)过载。 受弯、扭的轴类零件，过大的弹性畸变量会造成轴上啮合零件的严重偏载，啮合失常，甚至咬死，导致传动失效； 2、塑性畸变失效 外加应力超过零件材料的屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。 钢结构房梁承载过重发生塑性变形弯曲，导致倒塌； 螺栓严重过载被拉长，失去紧固作用。3、翘曲畸变失效 尺寸与方向上产生复杂变形，形成翘曲，导致失效。 翘曲畸变往往是由温度、外加载荷、受力截面、材料组成等不均匀性引起。特别是高温所导致的形状翘曲最为严重。受力钢架翘曲变形； 壳体在高温下形状翘曲。 二、断裂失效 断裂失效 机械零件因断裂而产生的失效。1、断裂失效的分类 塑性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、蠕变失效断裂 例1：客车空气压缩机皮带轮断裂失效例2：汽车板簧断裂失效三、磨损失效 磨损：相互接触的一对金属表面，相对运动时金属表面不断发生损耗或产生塑性变形，使金属表面状态和尺寸改变的现象。四、腐蚀失效 腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果（化学腐蚀、电化学腐蚀）。某客车储气罐放水阀弹簧破断，刹车失灵，造成严重事故。第四章零件失效基本原因一、设计原因 为了保证产品质量，必须精心设计。 根据零件工作条件、可能发生的失效形式，提出技术指标，确定合适的结构、尺寸、材料。 如结构设计不合理，或尺寸设计有误，或材料设计错误，则机械设备或零件将不能使用或过早失效。冲螺母孔冲头：a 设计错误b 设计正确二、材质原因1、用材不当 所用材料机械性能达不到设计要求而导致失效。2、材质缺陷化学成分超差、晶粒粗大、夹杂物多、存在裂纹、气孔。三、制造(工艺)原因 工艺过程中产生的缺陷是零件失效的重要原因。1、零件在铸造过程中产生的气孔、疏松、夹渣。2、锻造过程中产生的夹层、冷热裂纹。3、焊接过程中未焊透、偏析、冷热裂纹。4、机加工过程的尺寸公差和表面粗糙度不合适。5、热处理产生的缺陷，如淬裂、硬度不足、回火脆性。6、精加工磨削中的磨削裂纹等。四、安装调试原因 安装过程达不到要求的质量指标，导致零件失效。1、啮合传动件(齿轮、杆、螺旋等)的间隙不合适(过松或过紧)。 2、连接零件必要的防松不可靠。 3、铆焊结构的必要探伤检验不细致。 4、润滑与密封装置不良。 5、安装后，未按规定进行跑合。 五、运转、维修原因1、不正确的运转工况 超载、超速导致零件失效。2、润滑条件未保证 润滑剂和润滑方法不合适。3、忽视维修 未进行定期大、中、小检修和必要的保养六、人的原因1、人的素质工作马虎、责任性不强，违反操作规程。2、人的知识水平安全知识缺乏、使用和操作基本知识不够。3、人的道德 只为赚钱，不负责任，机械产品有安全隐患。4、人为破坏第五章失效分析步骤一、事故调查1、现场调查 现场保护，拍照录象，现场情况记录。2、失效件的收集 关键失效件的查找、收集，相关零件的收集。3、走访当事人和目击者 失效事故发生前的异常现象，事故发生时的情况，有何不正确的操作等。二、资料搜集1、设计资料 机械设计资料，零件图2、材料资料 原材料检测记录3、工艺资料 加工工艺流程卡、装配图4、使用资料 维修记录，使用记录等三、失效分析工作流程原则：先简单后复杂，先宏观后微观。1、失效机械的结构分析失效件与相关件的相互关系，载荷形式、受力方向的初步确定2、失效件的粗视分析用眼睛或者放大镜观察失效零件，粗略判断失效类型（性质）。3、失效件的微观分析用金相显微镜、电子显微镜观察失效零件的微观形貌，分析失效类型（性质）和原因。4、失效件材料的成分分析用光谱仪、能谱仪等现代分析仪器，测定失效件材料的化学成分。5、失效件材料的力学性能检测用拉伸试验机、弯曲试验机、冲击试验机、硬度试验机等测定材料的抗拉强度、弯曲强度、冲击韧度、硬度等力学性能。6、应力分析、测定 用x光应力测定仪测定应力7、失效件材料的组成相分析 用x光结构分析仪分析失效件材料的组成相。8、模拟试验（必要时）在同样工况下进行试验，或者在模拟工况下进行试验。四、分析结果提交1、提出失效性质、失效原因2、提出预防措施（建议）3、提交失效分析报告第六章失效分析技术简介金相分析技术断口分析技术力学性能测试技术理化分析测试技术晶体结构分析技术无损检测技术应力分析技术 一、金相分析技术在金相显微镜下进行观察，分析金属内部的显微组织的技术。 包括取样、镶嵌、磨制、抛光、浸蚀、观察、分析等工序。 金属试样必须进行精心的制备，显示清晰的显微组织形貌。1、 取样 取样部位及观察面的选择，必须根据被分析材料或零件的失效特点、加工工艺的性质以及研究的目的等等因素来确定。 应在失效的部位取样，并在完好的部位取样，以便作比较性的分析。 对于表面热处理后的零件，要注意观察表面情况，如氧化层、脱碳层、渗碳层等。2、 镶样 一般试样不需镶样。尺寸过于细小，如细丝、薄片细管或形状不规则，以及有特殊要求（例如要求观察表层组织）的试样，制备时比较困难，则必须把它镶嵌起来。常用电木粉镶嵌、环氧树脂镶嵌。 3、 磨制 用水砂纸在预磨机上进行机械磨光。 水砂纸按粗细有200号、300号、400号、500号、600号、700号、800号、900号等。 由粗到细，逐道磨光。4、 抛光 在抛光机上进行。抛光盘上放置抛光布。抛光液一般采用Al2O3、Cr2O3、金刚石粉末。5、 浸蚀 常用化学浸蚀法来显示金属的显微组织。对不同的材料，显示不同的组织，可选用不同的浸蚀剂。 钢和铸铁：硝酸酒精溶液 不锈钢：氯化铁盐酸水溶液 铜合金：过硫酸铵水溶液 铝合金：氢氟酸盐酸水溶液 6、观察，分析 在金相显微镜下观察，分析金属内部的显微组织。放大倍数：501000倍。45号钢的显微组织：T12钢的显微组织：二、断口分析技术用电子显微镜观察断口形貌，分析断口特征，确定断裂性质的技术。（1）扫描电子显微镜。电子束在试样表面扫描，试样表面产生二次电子。二次电子的强度、分布与试样表面形貌、成分有关。获取二次电子信息，在显象管屏幕上显示，形成电镜图象。得到断口电镜照片。（2）透射电子显微镜以电子束作照明光源，用电磁透镜聚焦，透过试样，投射到荧光屏或照相底片上，获得图象。透射电镜观察试样制备：（1）复型法用塑料覆盖在试样表面，获得具有试样表面形貌的塑料膜。用碳蒸发到具有试样表面形貌的塑料膜上。溶去塑料膜，得到具有试样表面形貌的碳膜。电子束透过碳膜，获得图象。（2）薄膜法将金属试样制成极薄片，厚度为200nm以下。电子束可以透过极薄金属片，获得图象。三、力学性能测试技术金属材料的力学性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。包括强度、塑性、硬度、韧性及疲劳强度等。 1、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, 材料的强度用拉伸试验测定。（1）弹性极限e 材料保持弹性变形, 不产生永久变形的最大应力。 （2）屈服极限（屈服强度）s 金属开始发生明显塑性变形的抗力。 铸铁等材料没有明显的屈服现象, 用条件屈服极限0.2 表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。（3）强度极限(抗拉强度b ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。 2、塑性 断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。 （1）伸长率（） 试样拉断后, 标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。 （2）断面收缩率（） 试样拉断后, 缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。3、硬度 材料抵抗另一硬物体压入其内的能力叫硬度，即受压时抵抗局部塑性变形的能力。（1）布氏硬度（HB） 一定直径的钢球或硬质合金球在一定载荷作用下压入试样表面。测量压痕直径, 计算硬度值。 （2）洛氏硬度(HRA、HRB、HRC) 采用金刚石压头(或钢球压头)， 加预载荷F0 ，再加主载荷F1 ， 卸去主载荷F1，测量其残余压入深度h, 用h与h0之差h来计算洛氏硬度值。 硬度直接从硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小洛氏硬度常用表示方式有: HRA、HRB、HRC4、冲击韧度（ak） 许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号 Ak 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积 S0 , 即得到材料的冲击韧度 ak。5、疲劳强度 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过程称为金属的疲劳。 交变应力越大, 材料断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时, 试样可以经受无限周期循环而不破坏, 此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用-1 表示。6、断裂韧性桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 k1c 表示。四、理化分析测试技术1、 密度 单位体积物质的质量称为该物质的密度。 轻金属铝、镁、钛及它们的合金，用于航天航空器上。 重金属, 如铁、铅、钨等。用精密天平测定质量，用量具测定试样体积。2、 导热性 导热性通常用热导率来衡量。 热导率越大, 导热性越好。合金的导热性比纯金属差。 在热加工和热处理时，必须考虑导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。用导热仪测定热导率。3、 热膨胀性 材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。 轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制间隙尺寸； 在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响, 减少工件变形和开裂。用膨胀仪测定膨胀系数。4、 化学成分测定 组成金属材料的元素的质量分数。 光谱分析法能谱分析法5、 耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。 碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差； 钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。 铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。 耐腐蚀性能用腐蚀试验测定： 浸泡法盐雾腐蚀法五、晶体结构分析技术晶体结构：金属材料内部原子排列情况，微观结构。1. 体心立方晶格钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe, 912 )等。2. 面心立方晶格铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、- 铁( -Fe, 912 1394 )等。3. 密排六方晶格镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)化合物结构：材料的晶体结构分析设备：X射线衍射仪用X光照射晶体，X光会被晶体衍射，出现衍射光。X射线衍射仪可以获得衍射图象。 每种物质具有自己唯一的衍射图象。可以根据标准衍射图象确定被测试件的晶体结构。六、无损检测技术利用声、光、电、射线等，在不破坏被检测零件的前提下，了解零件内部的缺陷的技术。可检测零件内部的裂纹、夹杂物。超声检测磁粉检测射线检测1、 超声检测向被检测零件发射超声波，超声波遇到零件内部缺陷或异质界面时发生反射。可以测出零件内部的缺陷或异质。2、 磁粉检测先将被测零件磁化，再将磁粉撒在零件表面。 若零件内部没有缺陷，磁粉分布均匀、有规律。若零件内部有缺陷，磁粉分布不均匀，局部地方分布出现异常现象。3、 射线检测 用X 射线或射线照射被测零件。将密闭的照相底片在零件另一面。若零件内部没有缺陷，底片的黑度分布均匀、有规律。若零件内部有缺陷，底片的黑度分布不均匀，局部地方出现异常现象。七、应力分析技术材料内部存在残余应力。 残余拉应力对材料的抗疲劳性、抗腐蚀性、尺寸稳定性有不良影响。可用X 射线应力仪测定残余应力的大小。测量原理：用X光照射晶体，X光会被晶体衍射，出现衍射光。 如果材料内部存在残余应力，晶体的晶面距离发生变化，则衍射图象也会发生变化。根据衍射图象的变化，可以测得材料的应变，再计算出应力值。第七章断裂失效分析一、断裂失效的分类 塑性断裂 脆性断裂 疲劳断裂 蠕变失效断裂 二、断口分析方法断口分析是断裂失效分析的关键。金属材料的室温拉伸试样的塑性断口宏观观察，断口分为： F - 纤维状区 R - 放射状区S - 剪切唇区 三、断裂形式 （1）韧（塑）性断裂 断裂前有明显的塑性变形。 宏观特征 宏观变形方式为颈缩，典型断口为杯锥状断口，底部成纤维状剪切断口，其平面和拉伸轴大致成45角。 微观特征 韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征，是塑性变形产生的显微空洞生成、长大、聚集、相互连结导致断裂留下的痕迹。韧性断裂断口（2）脆性断裂 断裂前无塑性变形。 脆断时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过常规的许用应力，所以又称为低应力脆断。 宏观特征：断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切唇口(或很小)。 微观特征：解理花样、沿晶断口形态。解理断裂：因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂。 在不同高度的平行解理面之间产生解理台阶。裂纹扩展过程中，台阶相互汇合，形成河流花样，河流的流向与裂纹扩展方向一致。 脆性断裂断口（3）疲劳断裂 在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹导致发生断裂，称金属的疲劳断裂。 疲劳断裂断口1）疲劳断裂起源的位置确定： 纤微区的中心； 放射花样的收敛处； 人字纹的最尖顶处； 断口的平坦区内； 无明显塑性变形区，或无剪切唇形貌特征区； 疲劳弧形的最小半径处； 腐蚀氧化最严重的部位； 台阶高差最大处。疲劳源： 应力集中处：工件截面尺寸突变、孔槽边缘、尖角等。 表面缺陷：如夹砂、划痕、折迭。 内部缺陷：如缩孔、气泡、疏松、夹杂物。 2）疲劳裂纹扩展的宏观方向的确定： 裂纹源区指向最后断裂区的方向； 放射线发散的方向； 纤维区指向剪切唇区的方向； 与疲劳弧线相垂直的放射状条纹分散方向； 人字纹的人字张开的方向； 断口的平坦区指向斜断口的方向； 无塑性变形或塑性变形小的区域指向变形大的区域的方向； 台阶高差减小的方向； 氧化、腐蚀减轻的方向。（4）蠕变断裂 在高温下钢的强度较低，当受一定应力作用时，变形量随时间而逐渐增大的过程，这种过程叫蠕变，产生的断裂叫做蠕变断裂。引起零件断裂的因素多而复杂，对材料的性能需要综合考虑。如屈服强度、塑性、断裂韧性、疲劳强度等。 四、裂纹分析方法裂纹是材料表面或内部完整性或连续性被破坏的一种现象。 裂纹是断裂的前期； 断裂则是裂纹发展的结果。裂纹微观分析一般是通过光学金相显微镜和扫描电子显微镜观察。 裂纹表面形态和金相磨片进行观察分析。1、裂纹种类1）沿晶扩展裂纹：制造过程产生的裂纹：铸造热裂纹、过烧引起的锻造裂纹、回火脆性裂纹、磨削裂纹、焊接裂纹。使用中出现的裂纹：冷热疲劳裂纹、蠕变裂纹、热脆裂纹，环境因素引起的应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹等。 2）穿晶扩展裂纹： 因冷却速度过大、零件几何尺寸突变等引起的淬火裂纹、焊接裂纹等制造裂纹。 疲劳裂纹、解理裂纹、延性断裂裂纹等使用中形成的裂纹。3）沿晶与穿晶混合扩展裂纹。2、裂纹先后顺序判断方法 （1）塑性变形量大小确定法 当所有断裂部位均为延性断裂时，变形量大的部位为主裂纹，其它部位为二次或三次裂纹。 当零件断裂成多块，有的部位没有明显塑性变形，有的部位塑性变形明显，则无塑性变形的区域为首先断裂区域；（2）T型法 横贯裂纹A为主裂纹，形成在前； B裂纹形成在后，为次裂纹。（3）裂纹分叉法 裂纹的扩展方向为从主裂纹向分叉或分支裂纹方向，分叉或分支裂纹汇集的裂纹为主裂纹。（4）断面氧化颜色法 主裂纹较次裂纹形成时间早，主断面较次断面暴露在环境中的时间长，腐蚀与氧化程度严重，腐蚀产物多、氧化颜色深。（5）疲劳裂纹长度法 疲劳裂纹长、疲劳弧线或疲劳条带间距小的为主裂纹。3、裂纹起始位置裂纹的产生是应力作用的结果，其起始位置取决于应力集中和材料强度两方面综合作用的结果。应力集中引起裂纹：零件结构形状上易引起应力集中的部位，如工件截面尺寸突变、厚薄不均、孔槽边缘和尖锐棱角处等；材料缺陷和内应力部位，往往是裂纹出现的部位。材质原因引起裂纹： 表面缺陷：如夹砂、划痕、折迭、氧化、脱碳等。 内部缺陷：如缩孔、气泡、疏松、偏析、夹杂物、白点、过热、过烧、发纹等。4、典型裂纹特征 铸造热裂纹呈龟裂纹状，沿原始晶界延伸，裂纹内侧一般有氧化和脱碳，末端圆秃。过热、过烧引起的锻造或热处理裂纹，往往晶粒粗大，并常在晶界处伴有析出物。磨削裂纹一般细、浅，呈龟裂状或规则直线排列。局部应力超过材料的强度极限所引起的裂纹，裂纹处具有明显的塑性变形痕迹。 水淬时产生的裂纹，会出现红锈。碳钢裂纹两侧脱碳，则说明裂纹为热裂纹或裂纹后经过了热过程；氢脆裂纹扩展过程中一般无分叉现象。应力腐蚀裂纹往往有分叉现象。一般沿晶扩展的裂纹与腐蚀介质的作用有关，裂纹中夹有腐蚀产物。一般张开较大区域为裂纹的起始区。第八章磨损失效分析1、粘着磨损2、磨料磨损3、犁削磨损4、冲刷磨损5、表面疲劳磨损6、腐蚀磨损1、粘着磨损两个金属表面的微凸部分在高压下产生局部粘结，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。2、磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤（被犁削形成沟漕）的磨损称为磨粒(料)磨损。3、犁削磨损 硬材料表面的微凸点切削较软材料的表面，在较软材料的表面形成犁沟。活塞环与缸套存在粘着磨损、犁削磨损（拉缸现象）、磨料磨损。4、冲刷磨损 冲刷磨损是由于含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失的磨损。5、表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。 6、腐蚀磨损腐蚀磨损是金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。第九章腐蚀失效分析腐蚀是金属暴露于活性介质环境中而发生的一种表面损耗。它是金属与环境介质之间发生的化学和电化学作用的结果（化学腐蚀、电化学腐蚀）。1、均匀腐蚀 在整个金属表面均匀地发生腐蚀。被腐蚀的金属表面具有均匀的化学成分和显微组织，腐蚀介质均匀包围金属表面。2、点腐蚀 腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，向深度扩展成孔穴甚至穿透(孔蚀)。金属表面受破坏处和未受破坏处形成局部电池，阳极处被腐蚀成小孔。3、晶间腐蚀 腐蚀发生于晶粒边界或其近旁。主要原因是晶界处化学成分不均匀。第十章 机械、汽车、航空、建筑机械、电气设备零件失效分析案例齿轮失效分析轴类失效分析弹簧失效分析容器壳体失效分析其他零部件失效分析一、齿轮失效分析齿轮的失效形式(1) 疲劳断裂 主要从根部发生；(2) 齿面磨损 由于齿面接触区摩擦，使齿厚变小。(3)齿面接触疲劳破坏 在交变接触应力作用下，齿面产生微裂纹，微裂纹的发展，引起点状剥落(或称麻点)。(4)过载断裂 主要是冲击载荷过大造成的断齿。案例1 吉普车变速箱齿轮断裂失效分析1、粗视分析 变速箱齿轮用40Cr钢制造，热处理为850-860气体氰化，炉冷到830后油淬，200回火。在汽车爬坡时发生崩齿。 其中一个齿从齿根部整个断裂。另一个齿齿尖崩裂。2、金相分析 断口呈细瓷状断口，有放射状条纹，具有脆断断口形貌特征。 齿根组织为回火马氏体+贝氏体，夹杂物含量低于1.5级。3、成分分析 化学成分符合国家标准。4、硬度测量 齿尖部硬度为5557HRC，齿根部硬度为5253HRC。齿根部的断裂韧性低。 从耐疲劳又不脆断考虑，齿根部硬度应为3646HRC。5、结论 该齿轮淬透性好，淬火后齿根部硬度偏高，导致齿根部的断裂韧性低。发生低应力脆断。6、建议 齿轮采用30Cr钢、或者用38Cr钢制造。案例2 内燃机车螺旋伞齿轮磨损失效分析1、现场调查 齿轮材料为20CrMnTi，热处理工艺为：930气体渗碳，炉内预冷到860 ，空冷，再加热淬火、回火。要求齿表面硬度达到5662HRC，心部硬度达到3048HRC。该齿轮直接传动机车车轮，齿部承受较大扭矩和压应力。齿面磨损严重。2、组织分析 经过化验，材料成分合格。 表面渗层深度合格。 表面组织为屈氏体+碳化物，心部组织为铁素体+珠光体。 正常组织应是：表面回火马氏体+碳化物，心部组织为回火马氏体+铁素体+屈氏体。组织不合格。3、硬度分析 齿表面硬度为4144HRC，心部硬度为1113HRC。 硬度低，未达到设计要求。4、结论 齿轮渗碳后空冷，再加热淬火时加热温度不足，冷却速度不够。齿表面、心部都没有淬火。硬度低，耐磨性不够。导致齿面严重磨损。5、建议 改进热处理工艺。 齿轮渗碳后空冷，再加热淬火时加热温度提高到Ac3以上3050，提高冷却速度。淬火后低温回火。使齿表面、心部都淬火。硬度提高，齿轮有足够的强度和耐磨性。二、轴类失效分析轴类零件的失效方式 (1)长期交变载荷下的疲劳断裂。（包括扭转疲劳和弯曲疲劳断裂）。 (3) 大载荷或冲击载荷引起的过量变形、断裂；(3)表面过度磨损。案例3 柴油机曲轴断裂失效分析1、粗视分析 进口万吨级远洋货轮柴油机曲轴材料为35CrMo钢，曲轴整体锻造。曲轴在第2曲臂处断裂。断裂部位在曲臂与主轴的直角处。断口宏观形貌具有疲劳断口特征。疲劳源在曲臂与主轴的过渡圆弧处。2、显微分析 曲臂与主轴的过渡处金相组织为珠光体+铁素体。珠光体、铁素体含量各为50%。说明没有经过合适的调质处理。材料中夹杂物较多。3、力学试验 曲颈材料的屈服强度只有制造厂确认值的60%，抗拉强度只有确认值的75%。 冲击韧度为400kPa.m，冲击韧度偏低。在拉伸试样断口上可见鱼眼状白亮区。表明材料中有较高的氢。4、结论 曲轴材料内部冶金缺陷较多。曲轴没有经过合理的调质处理，强度、韧性低。在曲臂与主轴的过渡处产生裂纹，扩展破断。属于疲劳断裂。5、预防措施 （1）采用材质好的曲轴材料，进行高温除氢退火处理。 （2）提高淬火回火冷却速度，进行合理的调质处理。案例4 汽车发动机球铁曲轴断裂失效分析1、事故调查 某运行客车行驶7000公里发动机出现异常，曲轴断裂。断裂部位在轴颈沿曲柄约45o 截面开裂。断口平直。轴颈表面光滑，没有轴瓦抱死轴颈现象。曲轴材料为球墨铸铁，经过正火处理。2、工作载荷分析曲轴受到弯曲扭转载荷作用，并受到冲击载荷作用。轴颈表面受到摩擦。轴颈与曲柄过渡圆角处交变应力最大，易发生疲劳裂纹。3、金相组织分析组织为珠光体（90%）+球状石墨+少量铁素体。石墨级别为3级，球径大小为5级。组织符合JB18021976球铁标准。4、机械性能测试 抗拉强度：800MPa， 伸长率：4% 硬度：280HB（标准240-320HB） 符合QC/T4811999汽车发动机曲轴技术条件要求。5、断口分析裂纹在轴颈与曲柄过渡圆角处产生，穿过曲柄截面而断裂，呈现贝壳状扩展花样。过渡圆角表面加工刀痕多、较深。用表面形貌仪测定Ra为1.6486m。超过QC/T4811999规定要求（ 0.63m）。6、失效原因 轴颈与曲柄过渡圆角处表面加工刀痕过深，应力集中。 在弯曲交变应力作用下产生疲劳裂纹，裂纹扩展而发生疲劳断裂。 改进措施：提高轴颈与曲柄过渡圆角处表面加工质量，降低表面粗糙度。案例5 汽车发动机钢曲轴断裂失效分析1、情况调研 货车6缸柴油发动机运行8910公里曲轴断裂。 曲轴材料为42CrMo钢。 热处理工艺：锻造后正火、调质处理。 最终轴颈和圆角表面中频淬火。2、宏观分析 断裂部位在第6缸曲拐颈处。断口边缘无明显塑性变形。 断面位于油道孔。3、微观分析 油道孔口与其倒角圆锥面交界处存在加工毛刺与刀痕。4、显微组织观察轴颈6mm处组织为：回火索氏体+屈氏体+针状铁素体。符合Q/DC40442002标准的要求。曲拐颈表面组织：微细马氏体（6级），符合GB/T90241999标准的要求。5、扫描电镜观察 断口可见疲劳辉纹。疲劳源位于油道孔口与其倒角圆锥面交界处。6、化学成分分析 0.41%C, 0.29%Si,0.61%Mn,0.019%S, 0.021%P,1.14%Cr,0.22%Mo 成分符合国家标准。7、硬度测定 基体平均硬度： 30HRC 表面淬火层硬度：51HRC 符合设计要求。8、失效原因油道孔口与其倒角圆锥面交界处存在加工毛刺与刀痕。在扭转应力与弯曲应力联合作用下，交界处产生疲劳裂纹，裂纹扩展发生断裂。改进措施：提高油道孔口与其倒角圆锥面交界处表面质量。案例6 轧钢机主传动轴断裂失效分析1、事故调查 轧钢机主传动轴用45钢制造，正火处理。工作时用水冷却轴颈。轴颈磨损，用不锈钢焊条多次进行堆焊修复使用。运行时突然断为3截。2、粗视分析 其中一个断口与轴线成45度角，断口上清晰可见贝壳纹。另一个断口与轴线垂直，断口周围有老裂纹。3、断口电镜分析 在断口上观察到疲劳辉纹与腐蚀点。在瞬断区出现河流花样。4、结论 主传动轴反复堆焊，造成堆焊层缺陷和内应力。主传动轴在弯曲循环应力作用下，发生疲劳断裂+脆性断裂。5、建议限制堆焊修复使用次数。堆焊修复后进行探伤检查。案例7 三轮车车轴断裂失效分析1、粗视分析车轴在螺纹处断裂。车轴断口心部存在严重缩孔、疏松和裂纹。是含有严重缺陷的铸态组织。脆性大、强度低、韧性差。2、显微分析断口在螺纹根部。断口心部粗大晶粒。3、结论 （1）车轴断口心部存在严重缩孔、疏松和裂纹等缺陷，晶粒粗大。含有严重缺陷的铸态组织。 （2）车轴脆性大、强度低、韧性差。在受到稍大冲击力作用时发生快速断裂。4、建议 （1）如有必要，可对车轴材料进行化学成分分析，以确认材料。 （2）建议车轴采用45钢制造。三、弹簧失效分析弹簧在载荷作用产生下变形时，把机械功或动能转变为形变能；在恢复变形时，把形变能转变为动能或机械功。弹簧的失效形式：(1) 塑性变形 载荷去掉后，弹簧不能恢复到原始尺寸和形状。(2) 疲劳断裂 在交变应力作用下，产生疲劳源，裂纹扩展造成断裂。 (3) 快速脆性断裂 存在缺陷，当受到过大的冲击载荷时，发生突然脆性断裂。(4) 腐蚀断裂及永久变形 在腐蚀性介质中使用的弹簧产生应力腐蚀断裂。高温下使用的弹簧易出现蠕变和应力松弛，产生永久变形。案例8 汽车板簧断裂失效分析 1、汽车板簧工作条件分析板簧具有减震作用。板簧受到弯矩和震动作用。 2、粗视分析（1）断口表面进行仔细清洗，在视频显微分析仪下观察。断口左下方有明显的疲劳断裂形貌。（2）板簧表面（断口附近）存在热加工缺陷-折叠。折叠上有许多裂纹 。3、显微分析观察到裂纹扩展形貌。 4、结论（1）板簧表面存在严重的热加工缺陷-折叠。折叠造成了表面裂纹。（2）疲劳源在折叠造成的表面裂纹处形成。板簧断裂位置处于应力集中处。裂纹在应力作用下扩展，最后造成板簧断裂。（3）断口具有典型的疲劳断口特征，该板簧为疲劳断裂。5、建议避免热加工缺陷产生。案例9 客车气罐放水阀弹簧断裂失效分析1、气罐放水阀的工作条件分析阀芯在弹簧力的作用下，紧压阀座，保持气罐及气路中的气体压力。达到气动刹车的作用。 如果密封不严，气体泄漏，气压不足，刹车失灵。 弹簧受力不大，压缩次数不频繁。弹簧浸泡于水油混和物（含氧、硫），受到腐蚀。2、粗视分析用立体显微镜观察。 （1）阀芯下端面保持完好，无撞击痕迹。 （2）弹簧已严重腐蚀。弹簧丝直径原为1.1 mm，严重腐蚀最细处仅为0.5 mm。 （3）断裂部分断口处材料已严重腐蚀。3、扫描电镜分析 用S-450型扫描电镜，对断裂弹簧进行微观分析。弹簧严重腐蚀区存在大量疏松的腐蚀产物。局部区域腐蚀产物已大量剥落。弹簧断裂断口处未发现疲劳破断特征，断口处呈不规则的腐蚀表面。4、结论 （1）阀芯下端面保持完好，无撞击痕迹。 （2）弹簧断裂断口无疲劳破坏特征，断口呈不规则的腐蚀表面。 （3）弹簧受到严重腐蚀。弹簧丝局部截面大大减少，材料变脆，发生断裂。放水阀不能密封，造成气压不足，刹车失灵。5、预防措施 （1）定期检修气罐放水阀，及时更换腐蚀的弹簧。 （2）采用耐蚀性好的不锈钢弹簧。四、容器、壳体失效分析容器、壳体的失效方式 （1）破裂 （2）高温蠕变 （3）腐蚀案例10 催化裂化再生器壳体开裂失效分析1、事故调查 某化工厂一台重油催化裂化装置运行几年后，催化裂化再生器壳体开裂。 再生器壳体由20g钢制造。 内部压力为0.33MPa。 工作温度640 。2、宏观观察壳体裂纹数量多。裂纹从里往外扩展。裂纹主要分布在焊缝上，母材上有少量裂纹。3、成分分析 母材和焊缝成分符合国家标准。4、拉伸试验 拉伸试验表明，母材和焊缝拉伸性能符合国家标准5、显微分析 裂纹从里往外扩展，无明显塑性变形。裂纹根部的宽度较窄，大多呈树枝状分叉，沿晶扩展。断口上有大量腐蚀产物。6、结论 催化裂化再生器壳体开裂的原因是应力腐蚀开裂。7、建议更换抗蚀性能较好的材料。案例11 汽车离合器壳体开裂失效分析1、粗视分析离合器壳体由铝合金铸造而成。 一个壳体已破断为两部分。 一个壳体一侧的裂纹长220mm, 另一侧有一条15mm长的裂纹。裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。 壳体侧面的内表面呈135和90夹角, 无明显的过渡园角。 裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向垂直。2、现场调研 离合器安装情况：离合器左边与发动机相联, 右边与变速器相联。离合器壳体受到较大弯矩作用。发动机工作时, 壳体受到强烈振动。 壳体下部受到瞬时大的拉应力作用, 在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。3、立体显微镜下观察 断裂面有放射状撕裂棱。断面上有许多闪光的小点, 同时发现有园形、椭园形的空洞。最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm1.2mm。这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态, 为铸造缺陷气孔。4、显微分析观察裂纹形态及扩展方向。裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处, 裂纹上及其附近有大大小小的气孔, 裂纹垂直于壳体边缘扩展。 金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Ai-Si-Fe化合物组成。黑色针状Al-Si-Fe化合物为有害相, 导致壳体材料的韧性下降。裂纹穿过气孔, 并沿针状Al-Si-Fe化合物界面扩展。5、扫描电镜分析 沿晶界或相界扩展的微细裂纹。平整的晶体平面。观察到晶界和晶内的裂纹。该壳体材料的断裂机制为一种包含沿晶(或相界)断裂和穿晶断裂两种形式的混合断裂。在裂纹快速扩展区断裂形貌呈山脊状撕裂棱。6、能谱成分分析 对壳体材料和组织中的条状物进行成分分析。合金的成分接近于铸造铝合金ZL102(ZL102成分: 9087%Al, 1013%Si)。含有Fe, 生成有害相细针状的Al-Si-Fe化合物, 降低了该合金的韧性。 条状物的Si含量很高, 确定其为Si晶体。 7、硬度测定 (1) 布氏硬度测定 硬度为5461HB。该壳体的硬度值与铸造铝合金ZL102的硬度相近。 (2) 显微硬度测定白色块状物65HV0.02 条状物75HV0.02合金的硬度较低, 反映该合金的强度也较低, 只能用于对强度要求不高的铸件。8、断裂原因分析 (1) 所用材料强度低, 气孔多。合金含铁量高, 出现较多的针状Al-Si-Fe化合物, 使韧性大大降低。 (2) 壳体两侧面的内表面无明显的过渡园角, 导致应力集中。 (3) 安装结构不甚合理, 导致壳体承受弯矩过大, 振动厉害。易于开裂。 (4) 壳体受弯矩作用, 同时受到强烈振动, 迭加了扭矩, 在壳体应力集中处产生微裂纹, 裂纹扩展, 导致开裂、破断。9、改进措施 (1) 材料方面: a. 更换材料, 采用强度较高的ZL107、ZL109。b. 降低含铁量, 进行良好的变质处理。 (2) 壳体结构方面: 将壳体侧面内表面尖角相交改为园角过渡。(3) 改进发动机离合器变速器安装方式, 以减轻壳体所承受的弯矩及振动。案例12 不锈钢管应力腐蚀破坏1、现场调查一洗衣粉车间喷粉塔管道爆裂。材料为1Cr18Ni9Ti不锈钢。管内输送pH值为9-10 的浆料。浆料主要由三聚磷酸钠、纯碱、水等组成。管内工作压力为7-8MPa。温度60-70。 不锈钢管外套一根碳素钢管，两管之间通热水。热水温度低于100。 2、粗视分析 爆裂不锈钢管道外壁呈暗褐的氧化色，管内沉积坚硬的白色浆料沉积物。爆裂口管壁有轻度膨胀，周围有纵向裂纹。3、显微观察 裂纹起源于管子外表面腐蚀坑处。以树枝状向内扩展。 裂缝内充满浅灰色腐蚀产物。高倍下观察，爆裂部位的显微组织为较细小的奥氏体。裂纹为沿晶及穿晶走向。4、爆裂原因分析不锈钢管外壁长期在热水中浸泡，表面有缺陷的地方被选择性腐蚀，成为腐蚀坑。不锈钢管内承受高压作用，管壁承受较大拉应力。在腐蚀介质和应力作用下产生应力腐蚀。腐蚀坑处盟生裂纹，裂纹扩展导致管子爆裂。建议：在不锈钢外壁喷涂一层耐热、耐蚀聚合物涂层（如聚四氟乙烯），防止产生点腐蚀。案例13 裂解炉管断裂失效分析1、宏观分析某乙烯厂一台裂解炉运行时炉管断裂。材料为4Cr25Ni20，离心浇铸管。断口位于焊缝热影响区。断口呈结晶状正断断口。没有明显塑性变形。焊缝处进行了车削加工，车削深度1.5-2mm。比原壁厚减薄15%-20%。2、金相分析断口附近材料组织变化较大。奥氏体晶粒粗化，原