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第十一章其它故障诊断技术11.1断口分析技术断口记录了断裂过程的相关信息，是一个重要的物证。机械零部件的断裂原因分析，涉及许多技术，他们有：材料元素组成方面的光谱分析技术；金相组织方面的金相分析技术；材料性能方面的强度硬度分析技术；零件结构方面的断口分析技术。光谱分析、金相分析、强度硬度分析都需要依赖精密贵重的仪器仪表，断口分析技术靠的是人眼的观察，它是在工业现场就能初步分析的技术。11.1.1断口分析基础知识对于具有塑性特征的金属材料，断裂是拉伸应力作用的结果，压缩应力只能造成压溃，断口边缘处的挤出飞边就是其特征，剪切断裂的主要作用应力仍然是拉伸正应力，如图11-1所示，所以轴类零件的纯扭转断裂是沿45°线开裂。一．拉伸试棒的断口特征塑性材料（如结构钢类）制造的拉伸试棒的断口如图11-2，断口处明显表现出缩颈现象，断面呈杯状。ττττσσσσ图11-1剪切应力分析图11-2塑性材料的拉伸断口这是因为在断裂前，拉应力首先超过屈服极限，材料内部的晶粒被拉伸，同时出现流动。而材料表面的晶粒约束小，容易流动补充，所以伸长多些，而内部的材料晶粒约束较多，流动补充不易，所以在芯棒中心的晶粒首先发生断裂，断裂部位从中心向外延展。因而在断面处产生杯状断口。钢铁材料的主体是铁碳合金，在从液态凝固成固体时，首先形成晶核的是纯铁的铁素体，碳及其他合金原子则被排挤分布到晶界处，因而晶界是扭曲的，是抵抗变形错动的主要部分。这就是为什么细晶粒钢的强度大于粗晶粒钢的原因，钢铁材料的热处理就是通过获得不同的晶粒组织来获得所需的机械性能。因而断裂发生前塑性较高的铁素体晶粒被拉长，断裂后，这些拉长的痕迹被保留下来，在断口处表现为参差不齐的形态，通常称为纤维状。二．穿晶断裂与沿晶断裂a)穿晶断裂(b)沿晶断裂图11-3断裂形态如图11-3（a）所示，穿晶断裂的裂纹穿过金属材料的晶体，这是因为裂纹的延展总是沿着最弱方向，而材料中由铁素体组成的晶粒处于强度最弱的位置，存在扭曲错位的晶界则是裂纹延展的阻力，晶粒愈大，裂纹扩展愈易。穿晶断裂是应力断裂的微观特征，晶粒表现为残余的变形，断口表现为纤维状。图11-3（b）是沿晶断裂的示意图，沿晶断裂是化学腐蚀的结果。在晶界处材料内的杂质全猬集于此，其中有化学性质活跃的硫、磷等，再加上各类元素原子的键合度差异，存在许多薄弱环节，化学腐蚀最容易沿晶界扩展。不锈钢就是利用了铬、镍原子与铁原子的高键合度，同时也在表面生成化学性质牢固的强氧化膜阻挡了化学物质的入侵，合金原子的键合度是改善钢铁材料机械性质的重要因素。在金属表面生成化学性质牢固的氧化膜也是阻挡腐蚀的一种有效方式，铝合金的阳极氧化工艺就是走的这样一种路线。沿晶断裂是化学腐蚀的微观特征，断口表面相对平滑。许多输送化学物质的管道腐蚀穿孔的主要原因就是沿晶断裂。11.1.2疲劳断口的特征疲劳断口是在交变应力的作用下产生的。为了研究观察疲劳断口的特征，构造了如图11-4形式的试验装置。交变载荷力承载梁的截面图11-4弯曲疲劳断裂试验装置承载梁的结构情况有两种，一种是表面光滑的矩形断面梁（表面残留最后精磨加工的挤压应力）；另一种是在最大应力处做了环截面应力集中沟痕的矩形断面梁。这种情况下，疲劳断裂的断口有两种：裂源贝壳纹终断区图11-5表面光滑矩形断面图图11-5表面光滑的矩形截面断面图。特征如下：1．裂源出现在最大应力处，从存在原始缺陷处开始。疲劳断裂的裂源只有一处，一旦出现就抑制了其它裂源的产生。裂源产生后，因为裂纹扩展缓慢，反复的张开闭合使得表面因挤压而光滑，工业现场因环境的影响，裂源处还可能出现锈迹。2．贝壳纹是裂纹扩展残留的痕迹。因试验梁的外表面光滑而且残留加工的挤压应力，因此芯部扩展快，边缘扩展慢。贝壳纹是受载荷不均匀的影响，裂纹扩展快慢变化所留的痕迹，而且随着材料承载面积的减小逐步加大。3．终断区，当残余材料承载面积上的应力达到强度极限时，发生瞬间断裂。因此整个断面面积与终断区面积之比为零件的安全裕度。如图11-5，安全裕度约为2。终断区的宏观表象是纤维状。裂源贝壳纹终断区图11-6存在应力集中的矩形断面图图11-6是存在应力集中的矩形截面断面图。特征如下：1．裂源，与图11-5相同，疲劳断裂的裂源只有一处。2．贝壳纹，因试验梁的表面存在应力集中，裂纹扩展速度表面快于芯部。3．终断区。与图11-5相同，也是残余材料承载面积上的应力达到强度极限时，发生瞬间断裂。也可以用以判别零件的安全裕度。1．首先观察裂源，若只有一个裂源，则表明为疲劳断裂。多个裂源则为突发性断裂。疲劳断裂有一个发展过程，是可以事先预防的，突发性断裂发展时间很短，是不可预防的。2．观察贝壳纹的走向特征，判定表面是否存在应力集中。3．观察终断区，估计零件的安全裕度。疲劳断裂表面的判读：图11-7纯扭转断裂的断口人字纹山脊纹终断区因为圆轴的外圆始终是最大应力区，因而可以有多个裂源在圆周上产生。圆周处的人字纹是存在应力集中的表现，应力集中在多数情况是车刀的刀痕造成。山脊纹是裂纹扩展残留的痕迹，它是由无数的45°微裂纹的组合，由于受到另一断面的约束和挤压，山脊很低，必须仔细观察才能察觉。纯扭转断裂的终断区位于圆心，这是纯扭转疲劳断裂的特征。提高传动轴抗疲劳的措施有：提高表面光洁度，最后工序采用磨削；使轴表面存在残余挤压应力，如最后工序采用滚压或喷丸。图11-7所示为塑性材料传动轴纯扭转断裂的断口。11.1.3突发断口的特征塑性断裂的特征是断口残留着塑性变形的痕迹，塑性材料的突发性断裂是由突然超载造成的。因为塑性材料制造的机械零件都有一定的安全裕度，突然超载多数是操作失误造成过大的动载荷，如在起吊满载或近满载时，快速提升或下降陡停；在转炉旋转时突然打反转，都能产生的强烈的惯性动载荷。例如：某钢铁公司冷轧厂天车因起吊动作过猛，引起钢卷上下抖动，导致吊具发生突然断裂；某钢铁厂炼钢转炉因操作工在转动过位时，突打反转，造成倾动大齿轮发生断齿；都是操作失误造成设备损坏的例子。在突发性超载的应力作用下，零件材料内部多个裂源同时在应力最大处出现及发展。由于各断裂面按各自的弱面发展，往往这些面不在同一截面，断裂面在发展过程中必然发生转向，与另一断裂面汇合。断裂面发生转向留下的痕迹在专业术语上称为断裂瘤，断裂瘤是塑性材料突发断裂的重要特征。突发断口是指快速断裂所产生的断口，根据材料断裂的特征，分为塑性断裂和脆性断裂两类。脆性断裂的一个重要特征是金属材料在低应力状态下的突然断裂。脆性断裂的断口特征是表面较光洁，几乎看不到金属材料流动变形的痕迹。这是因为脆性断裂主要是沿着晶界发展，晶界虽然扭曲，却没有填充满，这是从液态冷却到固态时，晶粒收缩造成的空隙。这些空隙甚至允许直径小的原子通过，如氢原子就能通过空隙而聚集，当然它们需要时间。因此氢脆并不发生在加工完后，而是发生在安装完成，投入生产的时候。例如葛洲坝电站的涡轮机壳，材料16Mn，厚50mm，武汉某厂制造完成，在电站现场安装完，不到24小时沿圆周焊缝开裂3/4圆，判定为氢脆断裂。如果发生在通水发电后，就相当麻烦。产生脆性断裂的原因很多，在一般工业现场多数情况常温发生的是氢脆，低温冷脆主要发生在制氧机等深冷设备上。氢脆的原因主要是焊条在焊接前烘干脱水不足、焊接表面有油污（机械润滑油是碳氢化合物）等。磷硫含量高的钢材容易发生低温冷脆，所以专用的低温钢对磷硫含量有严格的控制。11.1.4断口分析诊断实例主卷卷筒主卷减速机制动闸主卷电机小车车体小车行走轮图11-8小车主卷布置图断裂处某钢铁公司冷轧厂成品库15吨天车是大连起重机厂制造，该种天车在冷轧厂有15台，只有成品库中的一台天车经常发生主卷减速机一轴断裂事故。断轴部位见图11-8所示，厂方经过长期观察，发现每使用三个月以上就会发生，因此厂里安排组织了一批该轴的备件，不到三个月就换。但是这样频繁的更换仍然避免不了事故发生，一旦发生，正在吊装的成品从空中快速坠下，近10吨的镀锡、镀锌薄板从正品变成了次品。使厂里的人员不堪忍受，因此委托公司所属的大专院校研究断裂原因。我们接到委托时，也拿到了最近的事故断轴。断裂部位在轴的传动端滚动轴承安装轴颈与过渡段轴颈的台肩处，在过渡轴颈上，如图11-9所示。这两段轴颈的半径相差5mm，按图纸要求此处过渡圆弧半径为1mm，实际上几乎看不出来。断轴材料：40Cr，调质，HB265～HB285。图11-9轴上的断裂部位在断裂的轴颈处，我们做了以下几点工作：在图11-9的双线处车断，保留断口部分，车屑送光谱分析，检测实际材料成分是否合格；车断面抛光作金相组织检查和硬度检测（探测强度是否合格）。光谱分析的结果是：材料为38Cr，含碳量略低于标准，Cr含量低于标准较多，差异比含碳量大，会影响钢的淬透性。金相组织为粗晶粒索氏体，硬度分布从中心到边缘的差异大，边缘硬度在HB225左右，中心硬度在HB180，淬透性差的效果已经显现。但是上面所述都不是断裂的原因，38Cr的机械性能与40Cr相差不大；硬度低的同时塑韧性则会增高；只是粗晶粒索氏体的抗疲劳的性能不好。最终的判定是根据断口分析作出的。裂源贝壳纹终断区图11-10轴的断面图图11-10是轴的断面图，只有1个裂源，说明是疲劳断裂，而且是以拉压弯曲为特征的断裂。贝壳纹和圆周的人字纹都表明沿圆周存在应力集中，贝壳纹中心扩展慢，圆周扩展快，这一特征明显表明圆周处存在应力集中。终断区面积约为全截面面积的三分之一，即轴的安全裕度约为3，应该有足够的抗疲劳能力，唯一的解释就是交变应力σ的幅值高于许用疲劳应力[σ-1]，因此加速了疲劳进程。还有一个特征值得注意：传动轴的设计是传递扭矩，轴上的应力主要是扭转剪应力。而断面特征却是拉压弯曲应力特征，这说明造成疲劳破坏的主因是拉压弯曲。这是联轴节不对中的特征。传动轴经常断裂，更换频繁。厂内相关人员一直关注，希望解决这问题的想法很强烈。因此安装钳工在安装时会注意按技术规范要求调整。也就是说，联轴节不对中原因是安装未达到标准的可能性小。推论：小车车体平台的刚度不足，在联轴节安装对中时，车体无荷重，平台平整，对中能调好达标。在生产吊装成品时，平台在荷重下，局部下沉变形，使联轴节的对中情况恶化，传动轴附加上弯曲应力，由此导致传动轴疲劳断裂。我们在给冷轧厂的报告中提出了上述推论，建议冷轧厂检查小车车体的下部钢架是否存在脱焊、开裂等隐患，即使未能发现，也要采取加固车体钢架的措施。报告中提出的第二条措施是：将滚动轴承安装轴颈与过渡段轴颈处的过渡圆弧半径改为5mm，因为半径1mm的圆弧容易残留车刀刀痕，造成应力集中。11.2材料探伤技术材料探伤技术也分为许多种，渗透探伤、磁粉探伤、超声波探伤、射线探伤只是一部分，还有用于在生产线上的涡流探伤等。11.2.1渗透探伤技术渗透探伤又称着色探伤，主要用于探测开口型的疲劳裂纹。渗透探伤利用一组药剂，分为清洗剂、渗透剂、显像剂。渗透探伤的优势在于简便易行，药剂已经是现成的，如图11-11所示，相对成本低廉。图11-11渗透探伤剂清洗剂无色透明，是一种溶剂。如图11-11中黄色喷罐所示，用于清洗被探伤的表面的油污等。因此用量较多。渗透剂为红色喷罐，是一种红色的药剂，有强烈的刺激性和渗透、吸附能力，能溶于清洗剂。消耗量最低。显像剂为蓝色或绿色的喷罐，是一种白色的药剂。用于显现被渗透剂侵入的裂缝。渗透探伤的操作工艺：1．清洗被探伤的表面，如果油污重，可先用清洗油清洗表面，再用清洗剂喷洗表面，对于怀疑存在裂纹处应仔细喷洗，使封在裂纹开口处的油污去除，以便渗透剂渗入。稍干后，进行下步操作。2．用渗透剂喷洒欲探伤的表面，应均匀无漏喷。喷洒完成后，间歇15分钟，待渗透剂渗入。渗透剂喷洒前，要摇匀，防止有沉淀。3．待渗透剂渗入完成，用棉纱破布等擦净表面的渗透剂，必要时可以将清洗剂喷在棉纱破布上擦净残余的渗透剂。为防止清洗剂将渗入裂纹内的渗透剂洗出，禁止用清洗剂直接喷洗，只能擦洗，擦洗时棉纱破布上的清洗剂不许过多。4．将显像剂的喷罐摇动，使沉淀的白色药剂均匀，防止堵塞喷孔。将显像剂均匀的薄薄的以雾状地喷在探伤表面，不要