疲劳失效分析案例

从几起失效分析案例 看影响工程机械可靠性的 一些因素 上海市机械制造工艺研究所有限公司 任颂赞 上海市机械制造工艺研究所有限公司 任颂赞 概述 ?科学技术是在失败与成功中不断提升， 机械装备及构件是在失效与提高中不断 发展。通过失效分析可找到提高质量、 提高可靠性的方向，是一种促进发展的 重要手段。 概述 ? 科学文明的高度发展使得安全问题、可靠性问题更加 突出，并成为各工业国优先发展领域之一。而我国的 安全生产形势十分严峻，造成经济损失每年以6.28%的 速度增长（至2005年）。因此，加强可靠性、安全性 研究，加强失效分析工作迫在眉睫。 概述 ? 失效分析目前已发展成为一门综合性的学科，波及力 学、断裂学、材料学、化学、数学、断口学、裂纹 学、工艺学、以及机械设计、制造、检测、管理等多 方面的知识，同时还需要很丰富的实践经验。失效分 析的准确性与时效性代表一个国家的科学技术水平 概述 ? 机械部件失效形式，按失效模式及失效机理一 般分为：变形失效、断裂失效、磨损失效及腐 蚀失效。在所有失效事故中，断裂失效占有主 要份额。 ? 在失效分析中由于最终目的不同，其分析的深 度、广度及重点不尽相同。本文所列失效分析 案例是以“物证”分析为主体的失效分析，注重于 构件的材质、工艺（冷、热）及服役条件的综 合分析。 案例 案例 1、塔式起重机翻落事故分析 FZQ 2400 tm塔式起重机 TC5510自升塔式起重机 2、挖掘机回转支承异常磨损分析 3、325C液压挖掘机驱动轴断裂分析 4、钢丝绳断裂分析（两例） 过载断裂 损伤后过载断裂 5、空箱堆高机提升架支座断裂分析 塔式起重机翻落事故 FZQ 2400 tm 塔式起重机 起重能力： 长臂64m时，(7.5m，140t) (63.5m，25t) 塔身最大自立高度59m 1、事故概况 ?先期通过了短伸臂（36m）的载荷试验，再 更换长伸臂（64m），在回转半径（起重幅 度）63.5m时，又通过额定起重量25t试验。 ?在进行1.25倍额定载荷（31.25t）的静载试 验时，操作人员报告，力矩限制器显示起重 量为27t后，稍作停留，再次起吊时，听到上 部发出巨响，几秒后，上部结构（起重臂、 回转平台、回转机构、配重、人字架、司机 室等）前后摆动后翻落。 1、事故概况 ?塔机塔身与基础 连接未发生破坏 ?上部结构翻落在 塔身左侧（操作 人员方位） ?臂架结构破坏 ?桁架结构散落 1、事故概况 ? 地面上塔机上部结构从 回转支承下部外圈砂轮 越程槽处断裂 ? 并发现数块回转支承下 部外圈的碎片，长度约 在300500mm，滚柱散 落较多 ? 回转支承与上部结构连 接螺栓未见破坏 1、事故概况 ? 在残留圈左右两侧 各发现两个断裂 面，长度约 400mm，断裂面与 回转支承中心约呈 45角度，其余 1/3圈随上部结构一 起翻落 ?断裂沿滚道磨削工艺越程槽发生，断裂 面与支承平面呈45斜面，断口毛糙 断面断面 1、事故概况 ? 回转支承内圈自身及内圈 与塔身顶节连接螺栓未发 现破坏 ? 塔机上部回转筒体与回转 支承结构连接完好，螺栓 无松动和缺失 ? 就此，集中分析三排滚柱 式回转支承（外圈）的失 效原因 2、回转支承概况 ? 型号：133.50.3150.03K2。 ? 其滚道中心圆直径为3150mm， ? 外径约为3432mm，外圈总厚约为258mm ? 外圈材质为42CrMo，锻后经调质处理 ? 要求硬度：207HB262HB；滚道面经表面淬火, 硬度要求:55HRC62HRC,其有效硬化层深度 4.0mm(以48HRC为界) 2、回转支承概况 回转支承下 侧外圈发生 周向破裂， 内圈未见异 常损伤现象 ，其安装螺 柱未有松动 及变形 3、宏观检测 破裂的外圆外形 处于塔吊控制箱体 前端区域中心标定为 “6点钟”，而箱体后端 标定为“12点钟”，其 右侧标为“3点钟”，左 侧标为“9点钟”，整体 未见异常变形。 3、宏观检测 断裂面下外圈径向截面形貌 断裂沿转角 约45方向 发展 3、宏观检测 开裂由转角越程槽（上）向底（下）扩展。 后端区域（11点钟-1点钟区）宏观形貌 3、宏观检测 后端区域（12点钟）断面宏观形貌 沿转角的断面边缘 有纵向小台阶，分 布在相对平细带上 ，并向底部呈辐射 状扩展，在安装孔 处，断面呈光亮的 撕裂擦伤的弧形带 3、宏观检测 后端11点钟区域断面宏观形貌 下侧底部区域， 边缘有纵向小台 阶、呈光亮挤压 擦伤形态，表明 开裂自上而下， 最终在底部挤压 撕裂 3、宏观检测 6点钟区：由转角越程槽起始的裂纹花样 表明中间区域 在相对低应力 下先期开裂， 最终两侧在相 对高应力下快 速向中间汇合 ，贯穿性裂开 3、宏观检测 两侧区：快速扩展 4、扫描电镜分析 （11点区）断面近边缘越程槽表面开裂形貌 下外圈后端区断面 4、扫描电镜分析 局部区域， 可看到沿转 角及刀痕开 裂的形貌， 断面起始与 刀痕相关 越程槽平面 转角转角 11点区 下外圈后端区断面 4、扫描电镜分析 断面近越程 槽边缘处断 面较平细， 呈解理、准 解理花样。 11点区 下外圈后端区断面 4、扫描电镜分析 近越程槽断面 局部可见沿晶 开裂及沿晶二 次裂纹的脆性 开裂形态，并 伴有撕裂棱 11点区 下外圈后端区断面 4、扫描电镜分析 在断面底部 边缘带，可 见平细的撕 裂状准解理 及韧窝形貌 下外圈后端区断面 11点区 4、扫描电镜分析 转角处开裂 并向下扩展 下外圈前端区断面 6点区 4、扫描电镜分析 近边缘断面 ，近转角的 拉伤断面边 缘可见向下 流变的层状 准解理花样 6点区 下外圈前端区断面 4、扫描电镜分析 越程槽表面越程槽表面 越程槽表面， 十分粗糙 ， 断面边缘沿越 程槽加工道痕 发展，表明该 处在高应力下 拉裂 下外圈侧向断面 旁侧断面近转角边缘 4、扫描电镜分析 边缘处断面 呈横向流变 的韧窝状花 样，表明该 处受到挤压 下外圈侧向断面 旁侧断面近转角边缘区 5、金相分析 ? 可见滚道 表面淬火层分 布不均匀 ? 越程槽淬透组 织不均匀 下外圈旁侧滚道区 径向截面 5、金相分析 断面表层起 伏及斜向下 （左）的二 次裂纹，呈 高应力下撕 裂形态 下外圈旁侧滚道区 径向截面 5、金相分析 断面表层浅色 区组织为：保 持马氏体位向 的索氏体+贝氏 体；深色区组 织为：珠光体+ 铁素体 径向截面 下外圈旁侧滚道区 5、金相分析 近断面处，可见沿越程 槽转角开裂形貌且与带 状组织相关 下外圈后端滚道区 5、金相分析 在另一截面上，同样 可看到在越程槽转角 处开裂现象 下外圈后端滚道区 5、金相分析 表面下陷，下 陷坑边缘有垂 直表面的裂纹 其表层深色带 为淬火组织 径向截面 滚道压伤区 5、金相分析 表层有一白亮 层，为二次淬 火带，拟与挤 压高速擦伤相 关，表明在瞬 间形成，该区 组织为马氏体 压伤区表层二次淬火形貌 滚道压伤区 5、金相分析 压伤区边缘的 表层主裂纹两 侧可看到长短 不一的次裂 纹，均为曲折 发展，拟为变 形下拉裂 压伤区边缘开裂形貌 滚道压伤区 5、金相分析 表面有开裂现 象，基本沿直线 状弯曲分布，长 约190mm。 下外圈后端凸台面 5、金相分析 开裂处径向截面 中段裂纹斜向分 布,脱碳区域沿裂 纹两侧分布。开 口处，可见两侧 组织为铁素体+少 量珠光体，裂纹 表面有氧化现 象，表明为热处 理前形成。 下外圈后端凸台面 5、金相分析 带状组织偏析发达 断面区切向截面 6、硬度测定 滚道（旁侧）区域：滚道（旁侧）区域： 表面硬度（表面硬度（HRC）：）：57.0; 57.2; 57.5 径向截面上，滚道中部，测定有效硬化层深度径向截面上，滚道中部，测定有效硬化层深度: 24.548.051.051.052.5HRC 6.05.04.03.02.0距表面距离 DS=5.0(以48HRC为界) 6、硬度测定 ? 径向截面上中部区域测定布氏硬度：径向截面上中部区域测定布氏硬度： 262； 260； 260 （HBW 5/750） ? 近断面的切向截面上不同区域测定维氏硬度：近断面的切向截面上不同区域测定维氏硬度： 浅色区域： 300； 300； 299 （HV1） 深色区域： 265； 266； 265 （HV1） ? 径向截面上，越程槽转角淬火区测定维氏硬度径向截面上，越程槽转角淬火区测定维氏硬度 634；629；634 （HV1），（相当于57.0HRC） 7、力学性能测定 拉伸试验拉伸试验 截面上切向取样，制样（10mm ）后 测得力学性能： 7、力学性能测定 5013800550100160mm 5012900650100mm 截 面 尺 寸 GB/T 17107 42CrMo 51.518.5865645来样 Z A Rm N/m2 Rp0.2 N/mm2 项目 ?拉伸试验结果拉伸试验结果 截面上切取10mm试样 7、力学性能测定 ?冲击试验：冲击试验： 截面上取样，按标准制样，测得吸收功： 切向：室温（KU2）：28.0J； 34.5J； 41.0J （平均：34.5J） -20（KV2）： 19.0J； 6.0J； 9.0J （平均：11.3J） 轴向：室温（KU2）：24.0J； 33.0J； 40.0J （平均：32J） （按CB/T3669标准第5.3.2款：要求相关钢材在-20时，三个冲击试样的 平均KV242J） 8、化学分析 0.025 0.50 0.80 0.17 0.37 0.025 0.38 0.45 国标 0.0140.650.320.0060.37来样 PMnSiSC元素 0.20 0.15 0.25 0.30 0.90 1.20 国标 0.160.160.0481.00来样 CuMoNiCr元素 Wt% 9、分析意见 ? 由金相分析可看到，组织带状枝晶偏析发达， 将影响其综合性能。 ? 由金相分析及硬度测定结果可看到，滚道表面 淬硬层在越程槽的分布不均匀，且不合理，将 影响转角局部区域的合理韧度。同时，转角处 圆周一侧表层的淬火层深浅不一，且局部伸至 越程槽。由此可见，越程槽处于异常的热处理 应力中 9、分析意见 ? 由力学性能测定结果可看到，来样基体（切向 方向）的抗拉强度、规定非比例延伸强度均处 于相关技术条件的下限，尤其冲击吸收功过 低，且波动较大 ? 由下外圈凸台处金相分析可推断，该处的开裂 发生在锻造中，表明锻造工艺控制不当，且与 JB/T10837-2008中第4.2.2规定不符。但该处 开裂与来样破断无关 9、分析意见 ? 由电镜分析及金相分析还可看到，来样越程槽及 转角处的表面拉伤及刀痕明显，尤其转角处的转 角半径较小，必将在运行中引发很大的应力集中 效应。而且当转角处为非正常调质组织（马氏体 等）时，其诱发开裂几率将更大 返回 TC5510自升塔式起重机翻落事故 总高达50m， 起重臂长达 55m， 最大起重能力为 5t，起重时， 上半部配重端 突然向后倾翻落 1、概况 1、概况 ?塔机的上、下支座体由矩形型钢焊接组成 支座体四角为 弦杆，材质为 Q235B。支座 体四角的连接 端部焊接连接 套： 1、概况 上、下支座体的 连接套区域破断 引发：有的在焊 接区域把弦杆拉 裂、有的把连接 螺栓拉断 ?塔机翻落直接原因 1、概况 ? 前左角、后左角处的 连接套近焊区拉裂； ? 前右角、后右角连接 套近焊区拉裂。 ? 部分连接套拉长、变 形 破裂件复位示意图 2、前左角上支座 ? 破断发生在弦杆近 后连接套区域 ? 变形明显，裂面两 侧难以平整拼合 ? 连接套安装孔在端 部明显被拉长 ? 该处破断在高应力 下发生 宏观检测 2、前左角上支座 ? 有开裂现象 ? 裂纹大部分沿焊 接波纹沟痕曲折 断续发展 宏观检测 前连接套的安装孔其尾端焊接区 2、前左角上支座 ? 断面粗糙黄褐色 ? 断面形貌表明该断面 处先期过载撕裂，而 后另一侧断面发生变 形拉裂 宏观检测 后连接套的断面 2、前左角上支座 ?外表面呈自由 表面形态，拟与 未焊透相关， ? 焊缝内有夹杂 金相分析 尾端焊缝区尾端焊缝区纵截面 2、前左角上支座 ? 明显未焊透 ? 在弦杆近焊缝一 侧的热影响区可 见横向分布的裂 纹台阶处为弦杆 横向断面 金相分析 弦杆基体 2、前左角上支座 ?左侧为焊缝（与连 接套的焊接区），表 层光整； ?右侧为弦杆断面。 熔合区，明显凹陷， ?近表层有夹杂及拉 裂现象，断面表层均 有流变现象 金相分析 近端部断面横截面在连接套一侧断面 3、前右角下支座 ?破裂发生在弦杆近前连接套区域 ?端部内腔填充板沿焊缝部分拉裂 宏观检测 3、前右角下支座 ?裂缝匹配平整，基本 吻合， ?裂缝由连接套与弦杆 在尾端的焊缝的焊趾 起始向两侧斜向朝端 面发展直至裂穿 宏观检测 断落件复位拼合后形貌 3、前右角下支座 表明断裂由尾 端焊缝处疲劳 开裂起始 宏观检测 断面形貌 3、前右角下支座 断面起始区 形貌 ?图下侧为焊缝表面， 可见焊缝流纹，局部呈 紊流沟槽，部分在断面 上呈浅层裂纹状； ?断面相对平滑，可见 由表面二次裂纹尾端起 始的弧形推进条纹 电镜分析 3、前右角下支座 ? 沿沟槽台阶的裂纹 呈弧形分布， ? 裂纹边缘呈圆浑 状，次表有挤压变 形的裂面形貌，表 明开裂由原始沟槽 引发 电镜分析 断面边缘处的焊缝表面 3、前右角下支座 呈现氧化腐 蚀态，但仍 可见平行分 布疲劳扩展 的弧形条纹 电镜分析 近边缘断面 3、前右角下支座 近A向断面焊接接头 ?可见为多层焊 ?在近表面区有 一矩形孔洞并与 一条裂缝相连 金相分析 3、前右角下支座 缝内布有灰 色夹杂，两侧 波状起伏且不 匹配。 金相分析 焊趾开裂处 3、前右角下支座 ? 表层近焊缝转角 区有细裂纹，曲 折纤细发展， ? 拟为应力集中引 发的疲劳裂纹 金相分析 裂缝的热影响区（孔洞表层） 4、后右角下支座 弦杆近前连接套区域 （开裂） ?端部内腔填充板沿 二分之一边长的直角 扇形状撕裂，并明显 突起变形； ?两连接套在端部的 安装孔均沿塔机的前 后轴线方向变形拉长 ?表明在大应力下发 生破断 宏观检测 4、后右角下支座 ? 裂缝无法平整弥合， 变形明显， ? 连接套焊接尾端呈撕 裂、缺损形态 宏观检测 断落件复位拼合后形貌 4、后右角下支座 ? 断面较粗糙 ? 焊接缺陷严重： ? 有孔洞及未焊透， ? 断裂由缺陷处起始 宏观检测 连接套一侧断面 4、后右角下支座 ? 未发生断裂， 但在连接套尾 端焊缝区表面 发现有开裂现 象 。 ? 裂面焊接缺陷 明显 宏观检测 后连接套区域后连接套区域 4、后右角下支座 ? 上侧断面海滩 花样 ? 下侧区域呈自 由表面形态 电镜分析 后连接套尾端开裂区域后连接套尾端开裂区域 4、后右角下支座 断面表层弧形 流变，并可见 细密排列的平 行疲劳扩展细 纹 宏观分析 扩展区 4、后右角下支座 在焊缝区及热影响区内分布有圆形气孔 ，夹渣等 前后连接套尾端焊接区前后连接套尾端焊接区 金相分析 4、后右角下支座 后连接套尾端开裂处后连接套尾端开裂处焊接区焊接接头 熔合区有一孔洞及 与孔洞相连的垂直 于外表的裂纹 在焊趾处可见由焊 趾起始裂纹在外表 面延伸发展，在截 面上可见沿熔合区 扩展 金相分析 4、后右角下支座 有一明显台阶， 裂纹由转角曲折 发展，尾段纤 细，拟与疲劳扩 展相关 焊趾处 金相分析 5、后左角上支座 ?破裂发生在弦杆近 前连接套区域 ?开裂基本由连接套 尾端至弦杆端部发 展。 ?前、后两连接套安 装孔在端面处均发 生变形拉长 宏观检测 5、后左角上支座 ?弦杆端部断面周边 扭曲、变形。 ? 表明破断过程中承 受很大的应力 弦杆破裂面形貌 宏观检测 5、后左角上支座 表明开裂由焊接 缺陷处疲劳开裂 起始，在随后的 高应力下迅速扩 展至断裂 宏观检测 近前连接套尾端焊接区段断面 5、后左角上支座 前连接套尾端焊区断面褐斑区 由外表起始的辐 射状条纹 起始边缘区可见 挤压、擦伤现象， 与外表的条纹相关 电镜分析 5、后左角上支座 平行排列的疲 劳推进条纹 电镜分析 次表褐斑区 5、后左角上支座 K1方向的截面焊接接头 焊缝上方原为连接 套区域，已脱离 焊缝与弦杆间熔合 区已开裂（未焊透） 并可见许多夹渣、气 孔等缺陷 焊缝右侧已剥离， 多层状焊缝间可见有 开裂现象 金相分析 5、后左角上支座 ? 有由焊接波纹沟起始 的裂纹 ? 焊缝区组织为：先共 析铁素体+针状铁素 体+珠光体+少量贝 氏体 焊缝表层区 金相分析 5、后左角上支座 ? 在转角处有垂直 弦杆表面的裂纹 ? 熔合区开裂，呈 未焊透状裂缝， ? 缝内可见夹杂 焊缝的焊趾区 金相分析 6、分析意见 ?由电镜分析、金相分析可看到，发生开裂的 相关连接套与弦杆焊接区均存在较严重的焊 接缺陷：未焊透、气孔、夹渣、焊接波纹沟 槽等，必将影响焊接区域的力学性能，尤其 在高应力区较高交变应力下，在缺陷的应力 集中处因应力集中效应极易诱发疲劳开裂。 ?在上述各破裂的弦杆综合分析中可看到，各 焊接开裂区大部分有不同程度疲劳开裂、疲 劳扩展现象 6、分析意见 ? 综合上述各项宏观及微观分析可推断，来样塔 机后倾翻落为疲劳开裂起始的过载断裂所致。 ? 在弦杆连接套末端焊接区在服役中承受很大载 荷，尤其运行中承受有较大交变应力，因此在 焊接缺陷处极易诱发疲劳开裂，当部分弦杆疲 劳扩展至断裂后（本案中的前右角弦杆），其 余弦杆必然载荷升高，尤其当这些弦杆焊接区 存在疲劳微裂纹时，必然在这些微裂纹的诱导 下相续发生局部性过载断裂。 返回 挖掘机回转支承异常磨损分析 1、概况 来样为挖掘机 用回转支承， 由内齿圈、 珠及外支承圈 组成 1、概况 ?支承圈材质为S48C，基体经调质处理，滚 道部位表面经中频淬火处理，技术要求： 表面硬度55HRC，有效硬化层深度： 3mm5mm（以45HRC为界），心部硬 度：229HB269HB。 ?送检件在使用约500h后滚道区域发生损坏 2、宏观检测 送检回转支承的内齿圈外形 2、宏观检测 支承内圈滚道损伤形貌 滚道损伤面 齿部未见明 显异常的损 伤现象，滚 道内支承面 的局部区域 有明显破裂 损伤现象 2、宏观检测 密封橡胶圈 滚道面 外圈的上、下 平面未见明显 的机械损伤现 象，滚道内有 不同程度损伤 可见 密封橡胶 圈残留 支承外圈形貌 2、宏观检测 滚道内支承面有明显的表层剥落、流变 损伤现象，非支承面上未见类似形貌 滚道非支承面 滚道支承面 3、金相分析及X射线能谱分析 非支承面淬 硬层分布较 均匀 右侧淬 硬层由于滚 道表面剥落 而厚薄不均 外圈径向截面低倍形貌 3、金相分析及X射线能谱分析 径向截面近表面 ?表面由于剥落而 凹凸不平 ?近表层分布有较 多斜向分布的细裂 纹两端纤细，表明 与承力相关。 ?组织为马氏体+托 氏体，托氏体沿晶 界分布 剥落区剥落区 3、金相分析及X射线能谱分析 纵向截面近表层 剥落区剥落区 ?组织有偏析现象 ?最表层组织已分离 ?次表下方有一纵向 裂纹沿偏析带分 布，并有夹杂物相 伴。 3、金相分析及X射线能谱分析 ?组织有偏 析现象 ?裂纹两端 折向表面 剥落区剥落区 径向截面 3、金相分析及X射线能谱分析 裂纹内有夹杂物 ，X射线能谱分 析结果：有Mn （约45.6%）、 S（约22.1%） ，表明为MnS夹 杂 剥落区剥落区 3、金相分析及X射线能谱分析 横截面 淬硬层过渡 区，有一沿 横向分布的 长裂纹，裂 纹两侧有流 变并夹有灰 色夹杂 剥落区剥落区 3、金相分析及X射线能谱分析 抛光态下可 见分布有较 多夹杂物， 夹杂物级别 可评为A2.5 级 剥落区剥落区 横截面 3、金相分析及X射线能谱分析 径向截面上由表及里组织分布形貌 非承力区非承力区 表层为感应 淬火层，次 表层为过渡 区，有明显 枝晶偏析 3、金相分析及X射线能谱分析 组织为：马氏体 马氏体级别:2级 非承力区非承力区 径向轴截面表层 3、金相分析及X射线能谱分析 呈枝晶偏析 形态，组织 为马氏体+ 珠光体+少 量沿晶界分 布的托氏体 非承力区非承力区 过渡区组织形貌 3、金相分析及X射线能谱分析 局部区域， 可见表层及 近表层有裂 纹曲折沿晶 状分布 非承力区非承力区 3、金相分析及X射线能谱分析 裂纹均沿晶界 分布，组织较 粗大，开裂处 还可见有夹杂 相伴 非承力区非承力区 3、金相分析及X射线能谱分析 心部组织：珠光体+铁素体，铁素体呈网状分布 非承力区非承力区 4、扫描电镜及X射线能谱分析 剥落A区 剥落区表面剥落区表面 表面较平 整，有较多 层状二次裂 纹，局部区 域隐约可见 结晶状形貌 4、扫描电镜及X射线能谱分析 旧断面 新打开裂面 断面明显分为两个区域 裂纹打开后断面裂纹打开后断面 4、扫描电镜及X射线能谱分析 原断面 裂纹打开后断面裂纹打开后断面 较圆浑， 局部区域 有疲劳条 纹 4、扫描电镜及X射线能谱分析 新形成断面 裂纹打开后断面裂纹打开后断面 准解理形 貌，局部 区域有沿 晶形貌 4、扫描电镜及X射线能谱分析 局部区域布有 较多夹杂物 裂纹打开后断面裂纹打开后断面 新形成断面 5、硬度测定 在未损伤区试样的表面及法向截面上各区 域进行硬度测定。 ? 淬硬层表面：淬硬层表面：62.3HRC； 63.0HRC； 62.5HRC ? 过渡区不同区域：过渡区不同区域： 白色区域：600HV0.5； 571HV0.5； 670HV0.5 （平均相当于HRC56） 黑色区域：271HV0.5； 281HV0.5； 271HV0.5 （平均相当于HRC28） ? 心 部心 部：215；217；219（HBW 5/750） 5、硬度测定 ?硬度梯度硬度梯度 对未受损区感应淬火层由表及里进行硬 度梯度测定 200 300 400 500 600 700 0.10.5122.533.53.63.73.8 距表面距离mm 硬度值HV 以441HV（ 45HRC）为 界限硬度值， 测得有效硬化 层深度为： 3.67mm 6、化学分析 0.0190.760.260.0230.50含量 PMnSiSC元素 wt% 6、分析意见 ? 由化学分析结果可见，来样化学成分符合S48C相 关技术条件（JIS G 4051：2005）。 ? 由金相分析及硬度测定结果可看到，来样基体组 织局部枝晶偏析较发达，而且局部区域有硫化物 聚集分布现象。组织偏析及夹杂物偏聚会影响材 料的综合性能，会增加淬火后残余应力及开裂几 率。 6、分析意见 ? 由心部的金相及硬度测定可看到，来样未经正常 的调质处理，将影响综合力学性能及表面感应淬 火质量。 ? 由硬度测定结果可看到，来样滚道表层感应淬火 有效硬化层深度符合相关技术要求，但表面硬度 偏高。同时，由非承力表层内的裂纹形态可推 断，来样表面感应淬火过程中有淬火开裂现象， 而开裂与原始组织不甚理想有关。 6、分析意见 ? 综合宏观及微观分析可推断，来样滚道承力面早 期破损失效主要与基体组织不甚规范有关。由于 局部区域枝晶（带状）偏析发达，在淬火后局部 会形成高硬脆化区及很大残余应力，甚至微裂 纹，当与服役高应力迭加时，极易引发开裂及裂 纹扩展，并进一步发生层状剥离。而局部区域夹 杂物聚集时，必然加剧开裂、剥离的发生。同 时，基体心部组织硬度（强度）不足，减弱了对 表层组织的支承作用，也必然对表层早期损伤有 明显负面影响。 返回 325C液压挖掘机驱动轴断裂分析 1、概况 325C液压挖掘机中液压系统的驱动轴，由 齿轮及花键轴段组成。使用约2800h后发 生断裂 2、宏观检测 齿轮的各齿面及输出段花键的齿面，均未 见明显的机械损伤及变形，均未见有不均 匀的受力痕迹 2、宏观检测 齿轮段断面宏观形貌 圆锥形断面上 大部分区域旋 转擦伤，在断 面边缘可见有 一段呈锯齿状 台阶，拟与扭 转疲劳相关 2、宏观检测 另一面观察， 近断面的外圆 表面残留有结 块状油斑，拟 与断口摩擦后 温度骤升有关 ，同时摩擦高 温还使断面呈 黑灰色 2、宏观检测 输入花键段的断 口呈凹陷的锥形 ，边缘严重变形 扩张外翻，断口 内腔大部被旋转 擦伤，只残留有 少量原始断面， 断面同样因高温 而呈黑灰色 2、宏观检测 花键段断面上斜向推进形貌 2、宏观检测 输入花键段在 取样时发现与 断面相连的斜 向裂纹沿花键 外圆纵向发展 ，直到尾端 2、宏观检测 可看到裂纹 连续分布形 貌，两尾端 均呈弧形、 纤细 近断面的法向及纵向截面 2、宏观检测 在该段轴末端横 向截开，在截面 仍可见裂纹直线 状由表向内发展 ，约有三分之二 弦长 2、宏观检测 输入花键近断口截取一段，沿裂纹打开，可见 裂纹在该段基本沿花键槽底线分布，其两侧的 槽面上均未见损伤及异常磨损现象 2、宏观检测 裂纹面的宏观形貌 花键 尾段 断面 可知该区在 相对大应力 下向内、向 尾端推进 3、电镜分析 断面边缘区 齿轮段断面 呈锯齿状起 伏，边缘未见 变形现象，但 有二次裂纹， 次边缘区断面 明显不同，呈 木纹形态 3、电镜分析 断面边缘区 齿轮段断面 有氧化覆盖 层，断面花样 圆浑明显受高 温氧化，并可 见沿晶开裂形 态 3、电镜分析 断面边缘区：木纹花样与条带夹杂物相关 齿轮段断面 3、电镜分析 曲折分布的 裂纹及龟裂 现象，裂纹 在截面上向 内曲折伸展 齿轮段断面 断面下方的外圆表面 3、电镜分析 齿部边缘区：挤压变形的沿晶开裂花样 花键段断面 3、电镜分析 中间扩展区 变形的准 解理花样 上隐约可 见疲劳扩 展条纹。 花键段断面 3、电镜分析 “B”向起始区低倍形貌 花键裂面 边缘处呈 变形的沿 晶开裂形 态 3、电镜分析 从边缘处的外 圆表面观察， 可看到表面有 龟裂现象，局 部为径向分布 的裂纹，裂纹 延伸至裂面， 表明开裂与表 面裂纹相关 花键裂面 “B”向起始区高倍形貌 3、电镜分析 辐射状条 纹，有粗 、有细， 反映出载 荷的波动 花键裂面 裂面的二次扩展起始区 3、电镜分析 高倍下可见在 准解理花样上 分布有疲劳推 进条纹，表明 其平稳扩展 花键裂面 裂面的二次扩展区 4、金相分析 边缘处擦伤 流变，在断 面下方可见 有一条平行 断面的裂纹 曲折、刚性 发展，尾段 纤细 齿轮段断面区 断面外缘斜向发展区断面外缘斜向发展区 4、金相分析 裂纹附近外 圆表层，可 见晶界氧化 及凹陷现象 ，拟与表面 化学热处理 相关 齿轮段断面区 裂纹附近外圆表层 4、金相分析 断续曲折分布 ，裂纹两侧未 见增碳或脱碳 现象，表层组 织为：细针马 氏体+少量残余 奥氏体 齿轮段断面区 表面裂纹的起始段 4、金相分析 分枝裂纹纤细 、细波状，拟 与疲劳扩展相 关，组织为： 低碳马氏体+ 贝氏体+少量 铁素体 齿轮段断面区 裂纹尾段 4、金相分析 沿外圆表层有一 渗碳层形态组织 ，在局部渗层区 域发现有二条趋 径向分布的裂纹 始于次表层，止 于过渡区 近齿轮横截面 裂纹分布形貌 4、金相分析 纤细、沿晶状 走向，表明由 内向外发展， 该区组织为： 马氏体+少量 残余奥氏体 近齿轮横截面 次表层裂纹形貌 4、金相分析 裂纹沿晶状曲 折、阶梯状分 布，外表有擦伤 淬火现象 花键段断面 组织评级： 马氏体: 5级， 残留奥氏体：3级， 碳化物：1级， 表层组织：针状马氏体+残余奥氏体+极少量粒状碳化物 4、金相分析 局部区域组 织带状偏析 十分发达， 并与夹杂物 相伴 花键段基体 二分之一半径区域的纵截面 4、金相分析 抛光态下， 局部区域灰 色条状的硫 化夹杂可评 为3.5级， 花键段基体 二分之一半径区域的纵截面 4、金相分析 裂纹横截面上裂面及周边组织形貌裂纹横截面上裂面及周边组织形貌 花键段裂纹区 键齿外表 裂纹 渗层组织 均匀分布 键齿侧面 有裂纹分 布 5、硬度测定 分别在不同区域的截面上测定由表及里的硬度梯度: 345； 344； 369 445589641725768782714花键段/HV1 308; 306; 305 /395503550592618574齿轮段/HV1 心 部1.101.0 0 0.8 0 0.7 0 0.5 0 0.2 5 0.05距表面距离 mm 5、硬度测定 以渗碳工艺的有效硬化层测定方法，可得： 齿轮段渗碳有效硬化层深度为：0.70mm； 花键段渗碳有效硬化层深度为：1.09mm 6、化学分析 0.150.161.150.0240.790.220.0120.22 Cu%Mo%Cr%P%Mn%Si%S%C% Wt% 7、分析意见 ? 由化学分析结果可推断，来样材质牌号接近于 20CrMo钢。 ? 由金相分析可看到，来样材料的基体中局部区域 夹杂物分布级别过高，局部区域组织带状偏析发 达，这些内部缺陷在热处理过程中会形成附加组 织应力极易诱发开裂。 ? 在对齿面、花键槽的宏观检测及对断面、裂面的 宏观、微观分析中均未见驱动轴承受过异常过载 应力迹象。 7、分析意见 ?检测中看到，驱动轴不仅断裂，在花键段 还发生开裂，由裂纹发生的部位、分布形 态、裂面的宏观及微观形貌可推断，该斜 向长裂纹主要由服役中的交变应力下的疲 劳扩展形成，而裂纹的萌生极可能与先期 热处理中产生的微裂纹相关。同时，在近 齿轮的轴段上，还发现次表渗层内有径向 裂纹，并可推断裂纹在热处理过程中形 成。 6、分析意见 ?综合断口及周边的宏观、微观分析可推 断，来样驱动轴的断裂为扭转疲劳断裂， 疲劳裂纹的萌生主要与轴的近表（渗层） 先期缺陷有关，而这些缺陷在热处理中形 成并与原材料局部夹杂过多、带状偏析发 达有极大的相关性。 返回 船用起重钢丝绳断裂分析 1、概况 来样为船用起重钢丝绳，外径为 19mm，经Germanicher Lloyd抽样检 测，其断裂载荷为32.73t。 该钢丝绳在使用中发生断裂，送检样为 断裂段 2、宏观检测 断裂处钢丝松散，分叉树枝状，不平齐 2、宏观检测 内层各股钢丝相对平齐，外圆平整 2、宏观检测 部分外层钢丝近断口有压伤变形现象 2、宏观检测 正常段横截面上见钢丝绳结构 3、电镜分析 外层区钢丝外层区钢丝部分断口断口 低倍下形貌 正断收缩断口 压伤变形 断口处大多呈明显收缩形态 及压伤变形态 3、电镜分析 正断收缩断口低倍下形貌 图10 断面小于钢丝直径， 其中心区十分粗糙 外环断面平细 收缩的外表面上 可看到因拉伸变形 而形成的环状裂纹 外层区钢丝断口 3、电镜分析 斜平状断口形貌 图16 图15 图中部平细面 为断面，隐约 可见由左下方 朝上侧的流变 ，拟与由左下 方起始的剪切 断裂相关 外层区钢丝断口 3、电镜分析 高倍下，断面起始区边缘可看到外表面 有变形、开裂，断面及裂纹内均呈韧窝 形貌，表明开裂起始与表面损伤相关 外层区钢丝断口 3、电镜分析 钢丝绳内层区断口钢丝绳内层区断口形貌 平细断口 大部分断口呈收 缩状正断型，也 有平细断口 内层区钢丝断口 3、电镜分析 中间区粗糙， 外周环为斜平 细状，拟为剪 切唇区，呈典 型过载拉伸断 口 内层区钢丝断口 正断型断口 3、电镜分析 隐约可见由右下 方（箭头所指） 起始向左上发展 的推进条纹，左 上侧断面呈斜向 环状，呈终断剪 切唇形态 图20 平细断口 内层区钢丝断口 4、金相分析 断口明显收缩， 中间呈齿状起 伏，两侧边缘呈 尖峰状，为典型 剪切唇形态 外层区钢丝断裂区 钢丝断裂纵截面钢丝断裂纵截面 4、金相分析 钢丝断裂纵截面：钢丝断裂纵截面：可见基体组织呈纤维状纵 向分布，断面曲折起伏与纤维状组织偏析相关 外层区钢丝断裂区 4、金相分析 斜平断面：断面斜向平齐，无明显收缩， 高端处有一尖角，拟为剪切唇区。高倍下可见表层 组织流变。 外层区钢丝断裂区 4、金相分析 不甚圆整，与 编制挤压相 关，其周边