文档介绍：1
机械工程材料
Mechanical Engineering Materials
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本章目录
零件的失效分析
零件设计中的材料选择
典型零件、工具的材料选择与热处理工艺
第8章失效分析、材料选择及热处理工艺
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零件失效是不可避免的,任何一个零件,都有其设计寿命。但有些零件可能会因各种原因,其运行寿命远远低于设计寿命就发生早期失效,从而带来严重安全隐患,甚至酿成重大事故。
1943年美国T-2油轮断裂
零件的失效分析
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失效的概念:零件丧失使用功能,称为失效。零件在达到或超过设计的预期寿命发生的失效称为正常失效;在低于设计预期寿命时发生的失效称为非正常失效。
失效的形式:零件常见的失效形式一般可分为断裂失效、过量变形失效和表面损伤失效三大类。
断裂失效:零件失效的主要形式,也是最严重的失效形式,它是因零件承载过大或因疲劳损伤等发生破断。
过量变形失效:指零件变形量超过允许范围而造成的失效,主要有过量弹性变形失效和过量塑性变形失效。
表面损伤失效:指零件的表面及附近材料失去正常工作所必须的形状、尺寸和表面粗糙度造成的失效。
失效的概念与形式
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除上述几种失效形式外,材料的老化也会导致失效。例如,高分子材料在贮存和使用过程中发生变脆、变硬或变软、变黏,从而失去原有性能指标,通常称为高分子材料的老化。老化是高分子材料不可避免的现象。
失效的原因
(1)设计不合理
(2)选材不合理
(3)装配使用不当
(4)加工工艺不当
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失效分析方法
(1)取样,先拍照记录现场,再收集失效零件残体,确定分析区域,样品应取自失效的发源部位,或能反映失效的性质或特点的地方。
(2)整理失效零件的有关资料,包括设计文件、工艺文件及使用维修记录等。
(3)对样品进行宏观、微观的断口分析、金相剖面分析,确定失效的发源地及失效的形式。
(4)测定样品的必要数据,包括设计性能指标及与失效有关的性能指标,材料的组织及化学成分,必要时作断裂力学分析。
(5)综合各方面分析资料作出判断,确定失效的具体原因,提出改进措施,写出分析报告。
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某型号面包车正常行驶256km后,半轴发生断裂。
失效分析实例
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断裂汽车半轴的材料为40Cr,直径为48mm。
加工工艺路线:下料→锻造→正火→粗加工→调质→精车、钻孔、制齿键→中频淬火、回火→磨削→探伤。
在凸缘与杆连接的轴台阶转角处起裂,并向内扩展至轴的中心部位最后断裂。
整个断口呈斜坡状,未见明显塑性变形,断面颜色为暗灰色,靠近断裂源的断面较平整,宏观可见明显的贝纹线,具有疲劳断裂特征,为裂纹扩展区;其余断面呈纤维状,凹凸变化较大,具有塑性断裂特征,为最后的瞬断区。
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在断裂源附近取样,经镶嵌、磨光、抛光后制成金相试样。用扫描电镜进行夹杂物观察,断口表面处存在较多的非金属夹杂物,主要有A类条状硫化物夹杂和D类球状氧化物夹杂。
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能谱分析:因夹杂物数量多、尺寸大,用能谱仪对夹杂物成分进行分析后发现球形夹杂物为复合氧化物,其成分与冶炼炉渣相近。
原因:由于采用上铸法浇注时炉渣容易混于钢液中,小铸锭的凝固较快,没有足够的时间使其浮出而残留下来的。而条状硫化物夹杂主要为硫化铁和硫化锰,是由于钢材在轧制时发生变形所致。
右图为半轴断口的扫描电镜形貌,可见裂纹源处的断口呈典型的脆性断裂特征,没有观察到具有塑性特征的韧窝。