金相检验技术23-26.ppt

1、目录,第13章 热处理缺陷分析 基本内容 第14章 失效分析 重点与难点,金属材料的缺陷通常分为宏观缺陷和微观缺陷两大类。按照加工工艺的不同又可分为铸造缺陷、锻造缺陷、热处理缺陷等。,第13章 热处理缺陷分析,热处理缺陷较多，如淬火裂纹、淬火变形、淬火软点、回火脆性、氧化脱碳、后处理缺陷（如磨削裂纹、冷处理裂纹）等。,第13章 热处理缺陷分析,图13-8 淬火裂纹的特征,一、淬火裂纹 （一）淬火裂纹的类型和特征,a、纵向裂纹,b、横向裂纹,c、表面裂纹,d、剥离裂纹,淬火裂纹的微观特征,第13章 热处理缺陷分析,图13-9淬火裂纹（200）,抛光状态下裂纹曲折刚直，穿晶扩展，见图13-9所示，

2、经过浸蚀后裂纹两侧无脱碳，裂纹破断面上无氧化色，断口呈穿晶断裂。,一般认为，钢铁中淬火裂纹来源于奥氏体向马氏体转变时体积增大所产生的内应力。 影响因素包括：钢铁的化学成分、材料内部的缺陷、钢件形状结构、淬火前的原始组织、淬火温度以及淬火冷却速度等。,第13章 热处理缺陷分析,一、淬火裂纹,二、回火脆性,（二）淬火裂纹的形成机理,包括第一类回火脆性和第二类回火脆性,以及回火裂纹(淬火钢在回火是由于快速加热或快速冷却时发生裂纹)。,第13章 热处理缺陷分析,三、淬火变形,零件淬火时尺寸或者形状发生变化称为淬火变形。淬火变形有尺寸变化和形状变化两种。,引起尺寸变化的主要原因是由于相变引起的膨胀和收缩

3、。,引起形状变化的原因主要是钢的内应力或者外应力。内应力主要是加热或者冷却时温度分布不均和相变以及零件内部的残余应力引起的。外应力主要包括零件的自重、以及钢件的相互碰撞和工具的夹持等原因。,第13章 热处理缺陷分析,四、其他缺陷,淬火后的零件的组织是马氏体+残余奥氏体，常温下残余奥氏体不断转变为马氏体，发生体积膨胀，因此淬火后的零件不加处理放在常温下，会发生开裂，称为自生裂纹。,1、自生裂纹,2、磨削烧伤,热处理零件在经过磨削时切削区域的温度高达4001500，引起零件表面组织、显微硬度、残余应力、力学性能等的变化。,第13章 热处理缺陷分析,四、其他缺陷,图13-10磨削裂纹,3、磨削裂纹,

4、分为第一种磨削裂纹和第二种磨削裂纹，如图13-10所示。原因是淬火后的零件中马氏体组织处于膨胀状态，磨削时温度达到100时发生第一次收缩，而钢的内部仍然处于膨胀状态，钢的表面受张应力而发生龟裂，形成第一种磨削裂纹（可在100200回火避免）。当磨削过度、切削量过大时，零件表面温度高达300时发生第二次收缩，形成第二种磨削裂纹（可在300回火避免，但要防止回火脆性）。,第13章 热处理缺陷分析,四、其他缺陷,4、淬火软点 淬火时，零件局部区域冷速过慢造成局部未淬硬的部位称为淬火软点。,5、淬而不硬 零件由于奥氏体化温度不充分、冷却速度不够或者混料造成。,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析

5、,图5-12 钎杆断裂宏观形貌,六角小钎杆广泛应用于矿山凿岩。其几何形状一般为长2.2m，截面中空（6孔）六角形，两平行对边宽22，属于细长类杆件。工作状况为每分钟受2000次，700kPa轴向冲击力和200r/min弯曲-扭转力的作用，内空通300kPa循环水冷却，外表受凿岩泥浆的冲刷磨损作用。材料采用55SiMnMo，热处理工艺为900奥氏体化30min后空冷，冷速为80/min。设计寿命为每根150m。现有三根钎杆断裂，寿命只有50m左右。中间一根断在中部，断裂源位于外表面，如箭头A所示；其余两根断在钎肩处（锻造成直径40圆盘），断裂源位于内空表面。断裂后由于矿水作用，表面均有不同程度的

6、锈蚀。试分析其原因。,钎杆的断裂,第14章 失效分析,第14章 失效分析,问题二：当你面对这样的问题，将如何解决问题？,问题三：失效分析的思路是什么？,问题一：什么是失效分析？,失效分析是指对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及其规律进行分析研究，并从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 一般来说，失效通常有四种形式：变形失效、断裂失效、腐蚀失效和磨损失效。,第14章 失效分析,一、变形失效,第14章 失效分析,图3-5 集热管蠕变变形及胀裂,在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。,二、断裂失效,第14章 失效分

7、析,断裂是指金属构件在应力作用下分离为互不相连的两个或者两个以上部分的现象。构件内部的裂纹也属于材料断裂的范畴。,断裂失效按照断裂前变形程度分为塑性断裂和脆性断裂，按照断裂机制分为解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂和结合力弱化断裂。,二、断裂失效,第14章 失效分析,（一）塑性断裂宏观,典型宏观特征为杯锥状断口，杯部为纤维状特征，锥部为浅灰色的光滑区，并与杯部呈45度角。,二、断裂失效,第14章 失效分析,（一）塑性断裂微观,图14-2 等轴韧窝（1200）,拉伸韧窝,二、断裂失效,第14章 失效分析,（二）脆性断裂 按照裂纹的扩展路径可分为穿晶脆性断裂和沿晶脆性断裂。,1、解理断裂 属于

8、穿晶断裂。最主要特征是河流状花样。如图14-3所示。,图14-3 解理断口河流花样,原因： 1）构件存在应力集中部位，如表面缺口、裂纹、几何形状的突变等等。 2）有一定的应力集中，如热处理后的残余应力，冲击应力等。 3）低温脆性等。,二、断裂失效,第14章 失效分析,（二）脆性断裂,2、准解理断裂 宏观形貌具有细小的放射状条纹或层次状，微观特征也有河流状花样，但河流短而不连续，并能观察到较多的撕裂岭，如图14-4所示。,经常在淬火及随后的回火的马氏体组织中出现。,图14-4 准解理断裂（600）,二、断裂失效,第14章 失效分析,（二）脆性断裂,3、沿晶脆性断裂 最主要特征是在宏观上呈颗粒状，

9、微观形貌呈冰糖状。如图14-5所示。,图14-5沿晶断裂形貌（300）,原因： 1）由晶界的夹杂和第二相沉淀引起的晶界弱化，沿晶断裂； 2）杂质元素如Si、Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等在晶界的偏聚造成沿晶断裂； 3）环境介质侵蚀如钢的氢脆、应力腐蚀引起的断裂； 4）高温下的沿晶断裂等。,机械零件在循环交变应力作用下引起的断裂称为疲劳断裂。在机械零件的断裂失效中，疲劳断裂占到了70%以上。,二、断裂失效,第14章 失效分析,（三）疲劳断裂,图3-32 疲劳断口宏观形貌,微观特征：,二、断裂失效,第14章 失效分析,（三）疲劳断裂,1)贝纹 类似于贝壳状条纹，贝纹圆弧所包

10、围的区域指向了断裂源区。 2) 疲劳辉纹 一系列基本平行的条纹，略带弯曲，呈波浪状,微观特征：,二、断裂失效,第14章 失效分析,（三）疲劳断裂,3）轮胎状花样 类似于汽车轮胎走过泥地时的痕迹。,三、腐蚀失效,第14章 失效分析,金属与其表面接触的介质发生反应而造成的损坏称为腐蚀。,图3-49 各种腐蚀形态示意图,四、磨损失效,第14章 失效分析,相互接触并作相对运动的物体，由于机械作用所造成的材料位移及分离的破坏形式成为磨损失效。常见形式为粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损和微动磨损等。,五、失效分析的思路,1、以整体原则为思路的分析方法 2、以设备制造全过程为系统的思路 3、根据失效类型和失

11、效模式（机理）分析的思路 4、根据构件服役条件分析的思路。,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,图5-12 钎杆的疲劳断裂宏观形貌,六角小钎杆广泛应用于矿山凿岩，属于细长类杆件。工作状况为每分钟受2000次，700kPa轴向冲击力和200r/min弯曲-扭转力的作用，内空通300kPa循环水冷却，外表受凿岩泥浆的冲刷磨损作用。材料采用55SiMnMo，热处理工艺为900奥氏体化30min后空冷，冷速为80/min。设计寿命为每根150m。现有三根钎杆断裂，寿命只有50m左右。中间一根断在中部，断裂源位于外表面，如箭头A所示；其余两根断在钎肩处（锻造成直径40圆盘），断裂源位于内空表面。

12、断裂后由于矿水作用，表面均有不同程度的锈蚀。试分析其原因。,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,图5-13 钎杆内表面的宏观疲劳裂纹,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,图5-12 钎杆的疲劳断裂宏观形貌,图5-13 钎杆内表面的宏观疲劳裂纹,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,这种钎杆的失效，应当属于疲劳断裂失效。下面看专家的分析过程： 1）分析构件的工况；工作状况为每分钟受2000次，700kPa轴向冲击力和200r/min弯曲-扭转力的作用，内空通300kPa循环水冷却，外表受凿岩泥浆的冲刷磨损作用。,图5-14 55SiMnMo金相组织 750,2）测试分析：

13、55SiMnMo，热处理工艺为900奥氏体化30min后空冷，冷速为80/min。其金相组织为70%90%的无碳上贝氏体，上贝氏体中含有35%左右的奥氏体，其余为铁素体；30%10%为块状复合结构。,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,这种钎杆的失效，应当属于疲劳断裂失效。下面看专家的分析过程： 2）测试分析：对失效钎杆横截面磨制金相，发现裂纹沿着块状复合结构的边缘扩展，而不易穿过块状复合结构。,图5-15 失效钎杆横截面金相 1000,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,这种钎杆的失效，应当属于疲劳断裂失效。下面看专家的分析过程： 2）测试分析：材料硬度值为HRC3337。

14、SEM下观察发现在图5-12中间那个钎杆断口箭头A所指出，在材料亚表面有一孔洞，裂纹指向两端。经过能谱检测，发现在空洞内还残留有Ca元素，这应该是原来夹杂物所在的孔洞。如图5-16所示。,图5-16 夹杂物处的孔洞650,实例一 钎杆的疲劳断裂,第14章 失效分析,3）结论 奥氏体和块状复合物都是阻止裂纹扩展的因素。根据此观点，提高奥氏体和块状复合物的百分数都有利于提高钎杆寿命。但是两者是矛盾的。经过实践证明，控制钎杆中块状复合物含量在20%30%，保证硬度在HRC3337，寿命最长。 减少夹杂物，钝化钢材可以有效提高钎杆寿命。,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂 该主机属于中速柴油机，曲

15、轴材料相当于国内的35CrMo，曲轴整体锻造，轴颈=400，其质量约15t。按照中国船检及国际劳氏船级规定，合金锻造曲轴应当进行调质处理后交付使用。 该曲轴在运转30900h后，在接近功率输出端的第二曲臂处断成两截，断裂部位位于曲臂与主轴颈交界处的R处，如图5-20所示。图5-21是断口宏观形貌。试找出失效原因。,第14章 失效分析,图5-20 曲轴及断裂部位,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章 失效分析,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章 失效分析,失效分析过程 1）工况分析：曲轴弯臂处受弯曲、剪切、扭转交变应力。 2）测试分析： 金相检验：曲轴材料按照35CrM

16、o牌号。在调质处理后组织为回火索氏体组织。我们首先在断裂R处取一试样，制成金相试样检验。,图5-22 R处的金相组织 1200,发现组织为珠光体+铁素体，P和F各占50%，并有沿晶分布的网状碳化物。如图5-22所示。这说明R处未经过调质处理。,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章 失效分析,2）测试分析： SEM分析：我们取图5-21中箭头1所指断裂源作SEM观察，发现在距离表面150m处在一尖角孔洞内存在夹杂物，裂纹沿孔洞尖角线外扩展。通过能谱分析表明是一堆Si、Ca、S、P等形成的复合夹杂物。,图5-23 材质内部缺陷（13）,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章

17、失效分析,2）测试分析： 拉伸断口有肉眼可见的鱼眼状白亮区，称为鱼眼断口。如图5-24所示。这是材料中含氢量较高的表现。在白亮区域的微观形貌为细密的解理条纹，如图5-25所示。,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章 失效分析,2）测试分析： 在图5-24中箭头E所示区域为木纹状断口。放大后发现，木纹排列方向性很明显，在木纹区间有许多夹杂物，能谱表明为硫化物，如图5-26所示。,图5-24 拉伸试样断口的宏观形貌 4,图5-26 木纹断口的微观形貌 210,实例二 进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂,第14章 失效分析,3）结论： 曲轴断裂属于弯曲疲劳断裂。断裂失效的根本原因是材质的热处理不良，未能进行很好的调质处理。另外，材料内部的冶金缺陷也较多，碳化物沿晶界呈网状分布；木纹状断口，材料内部含氢量较多的鱼眼断