铸件缺陷分析与失效分析PPT课件.ppt

第十二章缺陷分析与失效分析 机械构件或产品丧失其规定的功能的现象称为失效 分析引起产品或构件的失效原因 提出对策 研究采取补救措施的技术和管理活动称为失效分析 失效的原因 有的是使用不当造成的 有的是结构不合理引起的 有的是由于各种缺陷造成的 先讨论各种缺陷 1 第一节铸造缺陷 铸造缺陷常见的有气泡 疏松 缩孔 偏析 裂纹 金相组织缺陷等一 气泡 气泡的分类与特征 皮下气泡或表面气泡特征 常常单个或成群分布于铸件表面或靠近表面 横断面低倍组织的宏观酸蚀试样呈现分散或成簇分布的细长裂纹或椭圆形气孔 2 铸造缺陷 内部气泡特征 位于铸件内部的气泡 内壁光滑呈圆形或椭圆形 宏观横断面低倍组织可观察到内壁发亮的气泡 气泡的形成机理 析出气泡 钢液内气体随着温度降低溶解度而析出 来不及逸出 侵入气泡 模壁泥芯壁的水分有机物挥发分解碳酸盐分解的气体 来不及逸出 3 铸造缺陷 反应气泡 液态金属中的金属氧化物和液态金属中的其它元素反应 液态金属与型腔壁芯壁中的物质反应产生的气体 来不及逸出 卷入气泡 浇铸过程中 由于先注入的金属液体表面已凝固 浇铸时带入的气体来不及逸出 4 铸造缺陷 二 疏松最后凝固的液态金属在它们凝固过程中没有液态金属的补充 在完全凝固后产生许多细小的孔洞形成疏松 又分一般疏松 中心疏松 在铸件和铸锭中所出现的组织不致密现象称为疏松 5 铸造缺陷 一般疏松3级 中心疏松3级 6 铸造缺陷 三 缩孔由于最后凝固部位得不到液态金属的补充而形成的空洞 缩孔的特征是宏观酸蚀试样的中心区域呈不规则的折皱裂纹或孔洞 经常伴随严重疏松夹渣和成分偏析 四 夹杂分非金属夹杂和异金属夹杂 非金属夹杂物 夹渣 形状不规则的非金属夹杂物 通常 7 铸造缺陷 是遗留在钢液中的熔炼渣或耐火材料与脏物聚集在铸件的上表面或型腔内角 如出现在内部 破坏了金属的连续性 是不允许存在的缺陷 夹杂 钢在冶炼过程中参与物化反应 如脱氧脱硫脱磷等 的金属元素和非金属元素相互作用的产物 由于溶解度的变化而析出的夹杂 夹杂物按GB T10561 2005 钢中 8 铸造缺陷 非金属夹杂物显微评定方法 在纵截面上评定 在宏观断口上也能观察到亮带亮块亮线 异金属夹杂异金属夹杂 包括 冷豆 是由于冶炼操作不当 合金料未熔化或浇铸系统中掉入异金属所致 异金属夹杂是不允许存在的缺陷 9 铸造缺陷 五 偏析钢中存在的化学成分的不均匀现象 六 铸造裂纹 热裂纹合金在凝固过程中结晶收缩过程产生应力形成的裂纹 特征是沿晶界或枝晶扩展 呈连续或断续延伸 裂纹末端无尖尾 裂纹内有氧化皮 裂纹周围有共晶体 10 铸造缺陷 冷裂纹合金在凝固时 由于收缩产生铸造应力和组织转变的应力超过材料强度时产生的裂纹 七 金相组织缺陷 白口 反白口一般的灰口铸铁断口有可能表面几毫米区域冷却太快而出现一层白口 而反白口是铸件断口的四周边缘是正常的灰口 中心 11 铸造缺陷 部位却是完全无过渡区的白口或麻口或小块的白口区 石墨粗大石墨相当于钢铁基体上的孔洞 石墨粗大 在宏观断面可观察到较大的不规则的疏松点 特别是在厚壁的铸件上 冷却慢容易形成粗大石墨 含碳量过高 石墨粗大趋势 12 铸造缺陷 石墨漂浮壁厚超过25mm的球铁铸件断口上 常可见表面有一层深黑色区 金相观察为开花状石墨聚集 以及较多镁的氧化物夹杂和硫化物夹杂 原因 壁厚过厚 冷却太慢 碳当量过高 加镁处理和孕育处理温度太低 13 第二节锻造缺陷 一 原材料缺陷造成的锻件缺陷 层状断口在纵向断口上 沿热加工方向呈现出无金属光泽的凹凸不平的层状伏的条带 条带中伴有白色或灰色线条 碳化物偏析原材料存在较严重的碳化物偏析 锻造时的锻压比又不够 碳化物偏析程度没有多大改善 级别仍超差 反复锻压可以打碎 打细粗大的带状的碳化物 14 锻造缺陷 当碳化物级别较高时 降低锻造变形性能 容易引起淬火裂纹 降低刀具使用寿命 缩管残余由于钢锭冒口部分切除不干净 在开坯和轧制时将冒口部分存在的夹杂物缩松缩孔偏析残留在钢材内部 锻造时或锻后热处理时 从这种心部缺陷向外发展成裂纹 15 W系高速钢共晶碳化物不均匀度级别 按GB T14979 1994第一级别图 3级 16 锻造缺陷 材质缺陷开裂锻造时在缩孔 夹渣 碳化物偏析等材料缺陷处形成锻造裂纹 带状组织原材料存在的带状组织 在锻造加热时会因扩散而改善 锻造时要有一定的变形量 尽可能将带状碳化物带状碳化物等打碎 二 落料不当造成的缺陷 锻件端面与轴线倾斜 撕裂 17 锻造缺陷 毛刺 端部裂纹 凸芯开裂三 锻造工艺不当造成的缺陷 过热 过烧 18 锻造缺陷 锻造裂纹 脱碳增碳 锻造折叠 组织缺陷 19 第三节热处理缺陷 热处理缺陷类型较多 常见的有淬火裂纹 变形 软点 回火脆性等一 淬火裂纹是指淬火过程中或淬火后室温放置过程中产生的裂纹 淬火后室温放置过程中产生的裂纹又叫时效裂纹 自生裂纹 冷处理是淬火的继续 20 热处理缺陷 淬火裂纹的类型和特征 纵向裂纹裂纹沿工件轴向分布一条或几条 裂纹较深而长 有的会贯穿整个零件长度方向 横向裂纹垂直于轴向的裂纹 21 热处理缺陷 表面裂纹淬火裂纹沿表面分布 呈网状趋势 一些工具钢象9CrSi Cr12轧丝模曾发生过这类裂纹 剥离裂纹表面淬火件表面淬硬层剥落或渗碳淬火件沿共析层过渡区剥落 化学热处理件沿扩散层剥落 淬火裂纹的宏观特征 裂纹曲折刚直两侧无脱碳 断面观察裂纹无氧化色 22 热处理缺陷 淬火裂纹形成机理淬火裂纹的形成机理 钢中奥氏体向马氏体转变时体积增大所产生的表面涨开的内应力大于零件外层淬火状态的马氏体的强度时 便出现淬火裂纹 23 热处理缺陷 影响淬火裂纹的因素 钢的化学成分对淬火裂纹的影响磷的影响最大 最易引起淬火裂纹 含碳量增加开裂倾向大 含Cr含Mo量增加 开裂倾向大 原材料缺陷对淬火裂纹的影响冶金过程的缺陷 夹杂偏析等 热加工 24 热处理缺陷 过程中的缺陷 过热 折叠等 都可以成为淬火裂纹的诱发源 形状结构对淬火裂纹的影响形状结构设计不合理截面尺寸不均匀带有应力集中部位 原始组织对淬火裂纹的影响均匀的球化P淬火后转变成M其比容变化较小 故得到的M内应力较小不易开裂 25 热处理缺陷 淬火加热温度对淬火裂纹的影响淬火加热温度高 奥氏体晶粒较大 淬透性增大 容易产生淬火裂纹 冷却速度对淬火裂纹的影响冷却速度愈快 马氏体相变发生时应力愈大 愈易发生开裂 26 热处理缺陷 二 回火脆性 第一类回火脆 低温回火脆 不可逆回火脆 淬火后在250 400 范围内回火出现脆性 冲击韧性降低 断裂方式以沿晶脆断为主 第二类回火脆 高温回火脆 可逆回火脆 在450 550 或更高至650 回火时出现的脆性 合金钢尤其是镍铬钢更易发生 27 热处理缺陷 回火后快冷可防止 合金中加钨 钼可防止这类回火脆 回火裂纹钢淬火后回火时快速加热或快速冷却产生的裂纹 回火时快速加热回火时快速冷却 28 热处理缺陷 三 淬火变形淬火时引起尺寸和形状的变化 引起尺寸变化的原因淬火时 包括冷处理 奥氏体 马氏体转变 残余奥氏体 马氏体转变 体积长大 回火时马氏体 索氏体 托氏体转变体积要缩小 组织变化引起尺寸变化 零件淬火时尺寸变化是由于淬火时相变引起膨胀或收缩使零件尺寸发生变化 29 热处理缺陷 引起形状变化的原因内应力与外应力的作用内应力 相变的组织应力和加热冷却的热应力和零件内部的残余应力 前期铸 锻 机加工工序产生的应力 外应力 工件自重 工件夹持 工件装夹等受力 30 热处理缺陷 加热的影响温度分布不均匀 零件有效厚度越大 冷却越快 变形越大 冷却的影响冷却不均匀 冷却太快造成热应力引起变形 残余应力的影响残余应力在加热时会释放引起变形 31 热处理缺陷 四 其他缺陷 冷处理裂纹A M转变 同淬火裂纹 自生裂纹淬火后在室温下放置 残A会继续转变成M 产生组织应力淬火后的零件 其组织是马氏体和残余奥氏体 常温下残余奥氏体不断转变成马氏体 发生体积膨胀 因此淬火零件不加处理放在常温下 往往会发生自生裂纹 因此防止自生裂纹的方法是淬过火的零件应及时回火 最好在3小时内进行回火 32 热处理缺陷 磨削烧伤 磨削裂纹磨削表面出现网状龟裂或与磨削方向垂直的线段状裂纹 常把磨削裂纹分成两种 一种为龟裂状 称为第一种磨削裂纹 另一种磨削裂纹与磨削方向成直角的若干平行线 称为第二种磨削裂纹 淬火软点局部区域未淬硬软点软块 未淬硬硬度低 原因 33 第四节机械产品失效分析的目的意义 失效分析是一门新兴发展中的学科 它具有两个特点 第一 综合性即涉及广泛的学科领域和技术门类 如金属物理 材料力学 金相学 断裂力学 无损检测 机械设计 工艺学等等 第二 是实用性即具有很强的生产应用背景 与国民经济与生产生活密切相关 34 机械产品失效分析的目的意义 一 目的 为了提高产品质量 为了技术开发 技术改进 技术进步 为了劣质产品的处理 为了事故仲裁 为了进行修复而作 35 机械产品失效分析的目的意义 二 意义 具有显著的经济意义通过失效分析 找出造成机械装备失效的原因 采取改进措施 可防止重大事故的发生 减少损失 促进科学技术的发展一些新的学科往往在失效分析过程中发现发展的 如 36 机械产品失效分析的目的意义 是质量管理的重要环节 现代的机械设计和质量管理要求对产品做 危险度分析 就是运用失效分析的经验和知识去分析审查设计方案是否存在某些会导致失效的因素及万一失效后又会产生何种程度的危害 例如 FEMA PFEMA 潜在的失效模式及后果分析 37 机械产品失效分析的目的意义 失效分析是对质量控制网的实地检验 可以检验现行的质量控制工作在哪些环节上还存在问题 提出改进质量控制的方法 失效分析的经验是评定产品缺陷安全的最佳参考依据 可以用来判断生产中的某种缺陷是哪一种性质的缺陷 失效分析可预防预测重大事故的产生 38 第五节机械构件失效的主要形式及其特征 机械构件常见的失效形式通常有四种类型 变形失效 断裂失效 腐蚀失效 磨损失效 39 机械构件失效的主要形式及其特征 一 变形失效金属构件在外力作用下产生形状和尺寸的变化称为变形 当变形达到一定程度后 构件完全丧失或部分丧失其规定的功能称为变形失效 变形失效都是逐渐发生的 一般都属于非灾难性 但是忽视变形失效的监督和预防 也会导致很大的损失 室温下的变形失效主要有弹性变形失效和塑性变形失效 高温下的变形失效主要有蠕变失效和高温松弛失效 40 弹性变形失效 弹性变形过量造成弹性丧失 塑性变形失效 塑性变形过量造成变形量超过一定极限 形状或尺寸变化造成失效不能使用 41 蠕变变形失效 零件长时期在一定温度和压力作用下工作 即使小于屈服点也会缓慢地产生塑性变形 这种现象称为蠕变 当蠕变变形量超过规定数值后就会发生失效 甚至产生蠕变断裂 高温松弛失效 零件在高温下失去弹性功能 产生塑性变形而失效 42 机械构件失效的主要形式及其特征 二 断裂失效 塑性断裂失效当构件所承受的实际应力大于材料的屈服强度时 将产生塑性变形 应力进一步增大时 就会产生断裂 称为塑性断裂失效 通常是指室温下的塑性断裂 塑性断裂的特征在裂纹或断口附近有宏观塑性变形 或者在塑性变形处有裂纹出现 塑性断裂的一个典型断口如同韧性材 43 料 45钢 40Cr钢等 抗拉试棒拉断后的样子 塑性断口的微观形态主要为韧窝 引起塑性断裂的原因通常情况下塑性断裂是由于外应力超过材料的屈服强度所致 超过屈服强度产生变形然后断裂 44 机械构件失效的主要形式及其特征 脆性断裂失效脆性断裂是指断裂前几乎不产生显著的塑性变形 脆性断裂是一种危险的突发事故 危害性很大 脆性断裂按裂纹扩展的路径可分为穿晶脆性断裂和沿晶脆性断裂 穿晶脆性断裂穿晶脆性断裂的断裂主要有解理断裂和准解理断裂 45 机械构件失效的主要形式及其特征 解理断裂解理断裂是穿晶脆性断裂的一种常见的主要断裂方式 是在一定的条件下 金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生分离 46 机械构件失效的主要形式及其特征 准解理断裂准解理断裂常在经淬火和随后回火的马氏体组织中出现 47 机械构件失效的主要形式及其特征 沿晶脆性断裂裂纹沿晶粒界面扩展而造成金属材料的脆断称为沿晶脆性断裂 48 机械构件失效的主要形式及其特征 疲劳断裂机械零件在循环交变应力的作用下引起的断裂称为疲劳断裂 疲劳是金属材料在受循环交变应力的作用下 虽然其所受应力远小于其抗拉强度 甚至小于其弹性极限 经多次循环后 在无显著的外观变形而发生断裂的现象 在机械构件的断裂失效中 所占的比例最高 达70 以上 49 机械构件失效的主要形式及其特征 常见的疲劳断裂主要有高周疲劳 低周疲劳 热疲劳 接触疲劳 腐蚀疲劳 微振疲劳等 高周疲劳循环次数N 104 105的疲劳断裂称为高周疲劳 高周疲劳有以下特征 50 机械构件失效的主要形式及其特征 疲劳断裂过程中 工作应力通常均低于屈服应力 零件不发生肉眼可见的宏观塑性变形 对于常见的低应力高周疲劳 在断裂发生后 也未能观察到宏观塑性变形现象 疲劳断口具有独特的断口形貌 断口由疲劳源区 裂纹扩展区和瞬时断裂区三个部分组成 产生疲劳断裂的常见原因 原因较多 51 机械构件失效的主要形式及其特征 常见的有 材料强度不足 零件结构上有尖角 键槽 圆角等应力集中区 夹杂 疏松 气孔 微裂纹等材料缺陷 表面缺陷 如凹坑 折叠 加工刀痕 热处理缺陷 如表面脱碳 过热等 52 45钢调质处理的破碎机偏心轴断口 使用半年多后发生断裂 断口具有疲劳断口的典型特征 箭头所示为疲劳源 有较多台阶 系多源 有应力集中现象 且从两对面起始 疲劳扩展区有贝纹线 占整个断口面积的较大部分区域 瞬断区断口较粗糙 断口属正断型低应力高周疲劳断口 53 40Cr钢 调质处理 疲劳试验 汽车半轴断口 实验室台架试验中断裂的疲劳断口形貌 由于实验室试验时疲劳载荷恒定 无载荷突变情况 因此在疲劳区无贝纹线 仅呈现平坦 光滑的宏观形貌 54 机械构件失效的主要形式及其特征 低周疲劳 热疲劳 接触疲劳 腐蚀疲劳 微振疲劳 55 机械构件失效的主要形式及其特征 三 腐蚀失效 均匀腐蚀失效 点腐蚀 缝隙腐蚀 晶间腐蚀 电偶腐蚀 应力腐蚀 56 机械构件失效的主要形式及其特征 腐蚀疲劳 氢损伤 其他腐蚀 57 机械构件失效的主要形式及其特征 应力腐蚀机械构件在应力及腐蚀介质的联合作用下 出现低应力 低于材料强度 脆性开裂 称应力腐蚀失效 应力腐蚀的特点是 引起脆性破坏而不发生塑性变形 不产生或很少产生一般腐蚀 钢的应力腐蚀破损或开裂 有沿晶的应力腐蚀破坏和穿晶的应力腐蚀破坏两种类型 58 机械构件失效的主要形式及其特征 应力腐蚀形貌特征应力腐蚀形貌特征有以下两个方面 材料表面腐蚀程度较轻 无全面腐蚀的特征 但裂纹较深 裂纹的走向基本与主应力方向垂直 59 机械构件失效的主要形式及其特征 用金相显微镜观察 裂纹特征为分叉落叶的树枝状 裂纹有沿晶 穿晶及混合型 一般情况下 碳钢 低合金钢 黄铜为沿晶断裂 奥氏体不锈钢和 黄铜在氯离子气氛中为穿晶断裂 60 1Cr18Ni9Ti固溶处理 应力腐蚀失效断口 奥氏体不锈钢在氯离子环境下使用造成的应力腐蚀的断口形貌 有河流花样特征 这是由于应力腐蚀裂纹沿一定的晶面扩展 图中点状小颗粒为断口表面上的腐蚀产物 用能谱仪分析通常能检测到氯元素 61 机械构件失效的主要形式及其特征 1Cr18Ni9Ti冷变形后去应力退火 在奥氏体不锈钢的应力腐蚀断口上除河流花样外还有羽毛状及扇形状花样 这种花样通常在经变形而使晶粒拉长的材料中出现 62 机械构件失效的主要形式及其特征 应力腐蚀产生条件 材料 应力腐蚀一般发生在耐全面腐蚀性能良好的材料如不锈钢等 应力 发生开裂所需的应力一般低于材料的屈服强度 但需要有一定的拉应力作用下 应力的来源包括工作应力和残余应力 环境 对特定的合金而言有其不同的腐蚀介质 如对不锈钢 引起应力腐蚀的介质主要为Cl F Br H2S NaOH SO2等水溶液 63 机械构件失效的主要形式及其特征 应力腐蚀的防护和检测相当复杂 从受载条件 应力 冶金因素 材料 环境因素 腐蚀介质 三方面考虑 实验室模拟预测预防研究方法有定应变法和定应力 载荷 法 将试件固定使其有一定形变或加上一定的力 然后处于特定的腐蚀介质中 观测出现裂纹的时间 腐蚀介质因材料而异 如对奥氏体不锈钢用沸腾的42 MgCl2溶液 64 机械构件失效的主要形式及其特征 四 磨损失效 略 65 第六节失效分析思路及方法 一 失效分析思路失效分析思路通常有以下几种 以整体原则为思路的分析法进行失效分析时 始终要树立整体观念 就是5M1E的失效分析思路 人 机器 材料 工艺 管理及环境 以设备制造全过程为系统的思路 可从设计 材质 热加工缺陷 冷加工缺陷 装配和检验不当 使用和维护不当考虑 66 失效分析思路及方法 根据失效类型和失效模式分析的思路零件或机械产品的失效一般不外乎变形 断裂 腐蚀 磨损这四种类型 先确定失效类型 再分析引起的原因 67 失效分析思路及方法 对残骸分析的思路主要是对断口形貌的分析 断口形貌记录了零件断裂的全过程的信息 68 失效分析思路及方法 失效树分析法为了分析复杂系统的失效原因 常应用失效树分析法 失效树有点像全面质量管理的废品分析的鱼刺图 每个零件都分为正常和失效两种状态 分清正常事件和异常事件 再找出失效原因 69 失效分析思路及方法 二 失效分析方法对于简单的失效零件 失效分析的方法也比较简单 对于一个大而复杂的系统失效 设计一个分析程序是非常重要的 保护现场 维护失效零件和失效设备的失效原状 完整无缺是保证失效分析顺利有效地进行的先决条件 尤其对断口不能使其受到碰伤和腐蚀 接受任务 明确要求 70 失效分析思路及方法 调查研究包括了解失效件的名称 型号 生产厂家 制造工艺 使用环境等 以及保护现场并调查失效经过 失效程度 失效件周围环境温度湿度等 失效件测试和分析保护失效件原来的状态 可以小心地用乙醚等有机物清洗断口 去除油污 宏观分析如确定失效类型 变形 断裂腐蚀等 根据断口确定裂源 疲劳源 疏松等 71 失效分析思路及方法 识别裂纹裂纹从哪里开始 如有多条裂纹时哪一条先裂 疲劳源在哪里等有几种识别裂纹的方法 取样取样要有代表性 取样的部位和数量应合理确定 检查失效件的力学性能 金相组织 化学成分等需在失效源附近取样 而对比试样应在远离失效源而较正常的区域取样 取样采用的方法应以不改变试样的状态 组织等情况 72 失效分析思路及方法 金相检验金相检验是失效分析中很重要的工作 包括宏观检验和微观检验 低倍酸蚀检验低倍缺陷 偏析 疏松 缩孔 缩松 夹杂等硫印法或磷印法检验硫和磷的偏析显微组织分析来判断热处理工艺是否正常 裂纹或裂纹两侧的显微组织来判断裂纹的性质是热处理裂纹还是原材料裂纹等 夹 73 失效分析思路及方法 杂物的分析可判断原材料是否合格等等 断口形貌分析利用电镜等分析手段进行断口形貌分析来判断断口属于哪一种失效类型 化学分析确定材料的化学成分是否符合材料标准的要求 必要时采用无损探伤 X射线衍yan射 应力测定 力学性能等 模拟试验像应力腐蚀实验等 74 失效分析思路及方法 综合评定分析结果 提供失效分析报告 75 第七节机械产品失效案例分析 从事失效分析工作的技术人员在接受失效事故分析时 可视失效案例的具体情况进行分析 制定试验分析方案 对于简单的失效零件 在熟悉机械构件各种失效的主要形式及其特征的基础上 往往只要选做一项或几项试验分析就能得出明确的结论 对于大而复杂的系统失效 须进行全面分析 才能得出准确的结论 举例 76 一 发动机曲轴断裂分析 发动机曲轴材料为稀土镁球墨铸铁 安装后使用不久发生断裂 曲轴断成三段 将缸体打坏 使整个发动机损坏 77 一 发动机曲轴断裂分析 断裂曲轴有两处断口 1 断口较光滑有擦伤痕迹 有疲劳贝纹线 断口的疲劳区较大 约占断面的2 3 裂源位于曲轴颈与曲臂的过渡圆角处 有放射状台阶条纹 属多源开裂 2 断口也为疲劳断口 但疲劳区较小 占断面的1 3左右 瞬断区占面积较大说明断裂时外应力较大 由此可以推断1 断口先断后 2 断口处工作应力增大 随后发生断裂 78 发动机曲轴断裂分析 2 断口裂源也位于曲轴颈与曲臂的过渡圆角处 裂源也有放射状条纹 扫描电镜观察发现两断口的疲劳源均有疏松 相比之下1 断口源区的疏松更为严重 其疏松贯连至曲轴颈处 在曲轴圆角处表面均能观察到疏松 金相检验石墨球化为3级 基体组织为P P量 85 符合GB T9441 1988 球墨铸铁金相检验 标准 分析结果表明 曲轴断裂是由材料中的疏松引起的疲劳断裂 79 发动机曲轴断裂分析 1 断口宏观形貌 箭头所示为疲劳源区 经测量疲劳区宽为110mm深为21mm 占整个断口面积的2 3以上 因此可说明该断口属低应力高周疲劳断裂 但在疲劳源区有多条台阶条纹 说明裂源区有应力集中现象 80 发动机曲轴断裂分析 2 断口宏观形貌 箭头所示为疲劳源区 疲劳源区也有台阶条纹 此断口疲劳区较小 经测量宽为30mm 深为9mm 由此可判断1 断口先断 2 断口后断 81 发动机曲轴断裂分析 为1 断口另一处疲劳源形貌 断口被严重擦伤 疲劳源也为疏松 82 发动机曲轴断裂分析 疲劳源区的疏松在圆角附近的曲轴颈表面也观察到 如箭头所示处 图中平行条纹为轴颈表面的磨加工条纹 说明该曲轴疏松较严重 83 发动机曲轴断裂分析 对于球墨铸铁曲轴不允许在圆角处存在疏松 夹渣等缺陷 这种缺陷分布于圆角处 使该处应力集中现象增加 使用过程中易成为疲劳源而引起断裂 84 二 伞齿轮齿面崩落分析 伞齿轮 轴 在使用中失效 在伞齿部齿面发生大片块状崩落 如实物图 崩落均发生在齿的承载一侧齿面 主要在啮合区域内 并波及到齿顶 崩落断口十分粗糙 未见明显变形 呈脆性断口 85 伞齿轮齿面崩落分析 伞齿轮 轴 材料为20CrMnTi 经锻造成毛坯 正火 880 x1h空冷 机加工 渗碳 930 气体渗碳 伞齿部分再经高频淬火处理后磨削加工 在齿的法向截取金相试样 可看到渗层组织为针状马氏体 块和粒状碳化物及残余奥氏体 碳化物在齿顶更为聚集 见后图 86 伞齿轮齿面崩落分析 齿的法向截面试样 经4 硝酸酒精溶液浸蚀 齿顶处形貌 黑色细针状M 块和粒状K和残余A 按QC T262 1999 汽车渗碳齿轮金相检验 标准 碳化物可评为7 8级 这种组织在使用中易开裂及脆性剥落 87 伞齿轮齿面崩落分析 表明渗碳时碳浓度 造成碳化物大量出现 导致组织的脆性增加 同时 由于未整体淬火 心部组织处于正火态 强度较低 更容易在齿的承载啮合面上萌生脆性开裂 在运行中 油在缝隙中起着油契作用 使裂纹不断沿切向发展 最终导致大片崩落 88 三 三面刃铣刀断裂分析 断裂铣刀材料为W6Mo5Cr4V2制造工艺为 落料后锻造压扁成型 经淬火 回火处理 硬度要求为62 65HRC 工作时转速56r min 进刀量0 6 0 9mm r 正常切削过程中 铣刀发生崩裂 断裂铣刀断口呈脆性特征 并有木纹状特征 扫描电镜观察断口 低倍下有沿带状组织断裂的层状特征 高倍为准解理及沿碳化物偏析带断裂形态 金相检验结果表明材料内部偏析严重 存在明显的碳化物网络 共晶碳化物形状尖锐且集中 89 三面刃铣刀断裂分析 2片断裂铣刀实物形貌 中间一片较完整的铣刀上有裂纹 箭头所示处 上下两块上的两块小碎片为另一断裂铣刀碎片 90 三面刃铣刀断裂分析 经4 硝酸酒精溶液浸蚀后的金相显微组织形貌 可看到二次裂纹沿碳化物笔直向里扩展的特征 裂纹形态属应力裂纹 91 三面刃铣刀断裂分析 经4 硝酸酒精溶液浸蚀后的金相显微组织形貌 为沿宏观木纹状断口区垂直切割的剖面试样 断口处富集大块碳化物 基体组织为回火马氏体 92 三面刃铣刀断裂分析 经4 硝酸酒精溶液浸蚀后的金相显微组织形貌 为断口剖面处图像 断裂沿共晶碳化物裂开 断口附近组织中有长条形网状碳化物分布 93 三面刃铣刀断裂分析 铣刀断口扫描电镜图像 为层状断裂区高倍形貌 有大量的颗粒状碳化物覆盖 经能谱仪分析 该区域的W含量较高 达18 5 为材料正常含量的3倍 说明断裂主要沿碳化物偏析区发生 94 三面刃铣刀断裂分析 铣刀断口扫描电镜图像 为正常区域基体断口形貌 准解理断裂 属高压力作用下引起的开裂 95 三面刃铣刀断裂分析 说明铣刀材料未经改锻 使原碳化物未被打散 击碎 硬度测定为62HRC 化学成分分析符合W6Mo5Cr4V2材料标准 分析结论 铣刀断裂属外应力作用下的脆性断裂 引起脆性断裂的主要原因是 材料未充分锻造 碳化物呈严重的带状偏析 热处理后回火不充分 造成组织内应力大 材料脆性大 96 四 不锈钢管腐蚀失效分析 失效的不锈钢管材料为1Cr18Ni9Ti 经固溶处理 该管子安装在设备上 管内充氮气保护 设备置放于沿海工厂的仓库封存4 5年 拆封后又存放1年时间 此时已失去气体保护 裸露于沿海气氛中 设备启用前作水压试验 仅试用20余小时 就发生管子漏水现象 试用时温度为240 管内压力为14MPa 管内通水 97 不锈钢管腐蚀失效分析 将漏水的管子拆下后检查 管外壁有锈蚀现象 并有明显的腐蚀斑点 如图1所示 取样作金相检验 抛光态下有明显的腐蚀坑分布于管子外表面 裂纹起始于腐蚀坑底部 几乎所有的腐蚀坑底均有裂纹 如图2所示 试样浸蚀后证明裂纹属穿晶裂纹 尾部有分叉 如图3所示 对腐蚀坑底用扫描电镜能谱仪分析腐蚀产物的性质 检测到较高的氯和氧元素 说明主要是由于氯离子腐蚀引起 98 不锈钢管腐蚀失效分析 图1 经水压试验发现漏水的不锈钢管漏水区的形貌 管子外表面有锈蚀区 并分布有多处点腐蚀坑 99 图2 漏水部位取样 经磨抛后在金相显微镜下观察 可观察到管子外表面有多处腐蚀坑 在每个腐蚀坑底部均有裂纹 裂纹从外壁向内壁扩展 图中所示数条裂纹中已有一条穿透管壁 裂纹并有分叉现象 不锈钢管腐蚀失效分析 100 不锈钢管腐蚀失效分析 图3 试样用10 草酸水溶液电解浸蚀 可清晰看到裂纹穿过A晶粒扩展的特征 说明这些裂纹属穿晶裂纹 这与A不锈钢在氯离子环境下应力腐蚀开裂的特征相一致 101 不锈钢管腐蚀失效分析 钢管在试压时发生漏水的原因 是由于该管已存在裂纹 该裂纹是由于拆封后在失去气体保护的情况下存放1年 裸露于沿海气氛环境下 而沿海气氛中氯离子浓度较高 加上管子表面存在加工残余应力 另外据现场了解 管子拆封后经盐酸酸洗 酸洗后有可能清洗不良 造成氯离子长期残留在表面 最终形成应力腐蚀开裂 102 五 模具表面裂纹分析 由Cr12钢经淬火 回火处理后的冷作模具 表面经磨削加工后发现裂纹 裂纹方向与磨削方向垂直 经酸洗后发现磨削面有磨削烧伤的回火色 金相分析表明有二次淬火马氏体组织 103 经4 硝酸酒精溶液浸蚀后的磨削表面形貌 黑色为基体组织 白色细网状为碳化物 大块白色呈纺锥形为二次淬火区 与磨削方向垂直的一条黑色波形条纹为磨削裂纹 见箭头所示 模具表面裂纹分析 104 经4 硝酸酒精溶液浸蚀 与磨削面垂直的截面组织形貌 基体组织为回火M 残A和K 共晶K不均匀度相当于4 5级 最表面有一条白色条状区为二次淬火马氏体组织 模具表面裂纹分析 105 模具表面裂纹分析 样品磨削面上的裂纹为典型的磨削裂纹 由于磨削工艺控制不当 进刀量太大 工件表面受磨削热的作用 局部区域瞬间温度达淬火温度 在冷却液及自身基体急冷下形成二次淬火 这种二次淬火马氏体脆性极大 易引起开裂 106 六 旋转阀断裂分析 旋转阀阀体在使用过程中承受扭转应力 断面与轴向成45 角 断口比较粗糙 在灰色断面上有很多黑色质点 呈明显的脆性断口 此外 从断口形状观察 铸件存在单边现象 且壁厚相差比较悬xuanshu殊 以致该件在服役过程中受力不均 加速破坏 107 旋转阀断裂分析 断裂阀体实物形貌 断面与轴向呈45 角 断裂主要在扭转应力作用下发生 断口粗糙 根据断口上的人字条纹判断裂源位于箭头所示处 108 旋转阀断裂分析 裂源位于箭头所