失效分析浅谈

失效分析浅谈12研究内容：分析对象——失效模式——失效机理——失效原因——预防措施3分类裂纹分析断裂韧性Ⅰ.力学基础的几个概念平面应力平面应变4断裂韧性裂纹体的三种变形模式I型张开型Ⅱ型滑开型Ⅲ型撕开型K1=σ（a）1/2K1c=σc（ac）1/2K裂纹尖端应力强度因子K1c断裂韧性裂纹扩展判据：K1c≥K156钢材牌号试验温度/℃σsMPaK1c/45#026084～9116MnR室温360130～14915MnVR室温475～50097～10540CrNiMo室温1500471Cr18Ni9-101448521Cr18Ni9-19684825mMPa平面应力和平面应变平面应力：裂纹体薄板的受拉状态，裂纹扩展的抗力较高，滑移较容易，裂纹沿最大切应力方向发展，断口呈斜断口；平面应变：裂纹体厚板的受拉状态，裂纹扩展的抗力较低，裂纹将沿垂直于正应力方向扩展，断口为平直断口；7Ⅱ.首断件判断在同一事故不同断裂件中:一般脆性断裂件发生在前,延性断裂发生在后;疲劳断裂件发生在脆性断裂件前;低应力疲劳件出现在大应力疲劳件之前;8T型法分叉法Ⅲ.主裂纹和裂纹源判断变形法氧化颜色法疲劳裂纹长度法92.3断口分析断口获取对未打开的断口可用同类应力打开,未知应力用三点应力打开.使用切割方法时注意断口污染和损伤断口清洗常用丙酮+超声波——除去尘埃和油污AC纸（醋酸纤维膜）剥离——轻微腐蚀断口10%硫酸+缓蚀剂（1%卵磷脂）+超声波——较重腐蚀钢制样品氢氧化钠+高锰酸钾——高温合金高温氧化10断口宏观分析使用放大镜和体视显微镜观察：裂纹源——放射花样及人字纹粗糙程度——大，剪切比例大；小，晶间断裂、解理断裂作用大断口光泽——反映断口的氧化、疲劳、磨损、解理等情况断口的倾斜角——与应力状态有关断口特征区的大小和分布11断口微观分析直接观察（扫描电镜）：照片包括：断口全貌照片——断裂源区照片——扩展区、瞬断区的特征照片；重要区域要有不同放大倍数照片。间接观察（复型法）：使用AC纸在断口表面复制断口型貌在光镜或透镜下观察，为增加成像衬度可蒸镀铬或铝。12断裂失效分析1金属过载宏观断口光滑拉伸圆试样断口三要素：纤维区位于断口中心区（裂纹源，粗糙），剪切唇区位于断口边缘四周（瞬断区），放射区位于两区之间（失稳区，光滑）。缺口拉伸圆试样断口三要素：纤维区位于断口边缘四周（裂纹源），中心为瞬断区，之间为放射区。131415163.2金属断裂典型形貌等轴韧窝穿晶韧窝断裂撕裂韧窝剪切韧窝171819202122河流花样解理断裂舌状花样扇形花样鱼骨状花样准解理断裂——特征：宏观呈脆性，微观有河流花样（舌状花样）及韧窝与撕裂棱，裂纹由晶内向四周扩展，不连续。沿晶断裂沿晶韧窝断裂沿晶脆性断裂（冰糖状断口）氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆等为冰糖状断口，232425准解理断口2627氢脆断口28渗碳件断裂29渗碳件断裂放大30黄铜焊接杆断口上的富铅相31疲劳断裂特点：脆断，最大交变应力值远低于材料静强度值。断裂过程：裂纹萌生——稳定扩展——失稳扩展稳定扩展第一阶段：深度浅、切应力、45º两阶段第二阶段：与正应力垂直、疲劳辉纹疲劳辉纹：易出现于延性材料、面心立方金属。疲劳源区：源（次）表面台阶、色深、光滑宏观断口扩展区：较平坦、疲劳弧线（高周疲劳）瞬断区：面积小，载荷小或韧性好；靠近中心，外载较大。3233343536373839四、紧固件失效分析主要失形式过载断裂和疲劳断裂失效淬火开裂失效氢脆断裂失效应力腐蚀断裂失效40紧固件的主要失效形式•过载断裂和疲劳断裂失效•淬火开裂失效•氢脆断裂失效•应力腐蚀断裂失效41过载断裂、疲劳断裂失效强度等级——σ-1≈0.5σb；材料品质——夹杂物等级、带状组织等级、冶金缺陷、纯净度等；表面质量——粗糙度、尺寸精度；成型质量——锻造流线分布、轧制裂纹、过热过烧等；金相组织——组织类型、组织晶粒大小、脱碳增碳、回火程度等安装方式42淬火开裂失效•影响因素——材料品质和成型质量、预热处理方式、淬火加热温度和速度、淬火冷却速度、回火方式等；•开裂原因——组织应力、热应力；•组织应力——内压外拉，切向力大于轴向力；•热应力——内拉外压，轴向力大于切向力；43氢脆是一种延迟性破断失效，是在实际应力远低于材料抗拉强度的条件下，经过使用一段时间(24h～200h)后仍会发生的零件实然破断失效．氢脆断裂微观形貌主要为沿晶断裂，晶粒表面存在撕裂棱（爪状纹）；有的氢脆断口为准解理．主要影响因素——材料的成分、纯净度与显微组织、强度与硬度、应力水平和应力状况、氢含量以及聚集和扩散的能力等氢脆断裂失效44材料的成分Ｍo抑制氢扩散，含Ｍo合金钢氢脆倾向小纯净度与显微组织材料的纯净度越高，氢脆的倾向越小，在相同强度水平条件下，正火组织比回火索氏体的氢淬倾向大。强度与硬度紧固件的强度与硬度越高，氢脆的倾向越大。一般认为，当硬度小于HRC35时，氢脆倾向明显减小，在严重氢脆环境下，HRC须小于22．45应力水平和应力状况应力水平越高，越易发生氢脆。氢脆是在拉应力下进行的，压应力不会引起氢脆。氢含量及其来源氢脆与紧固件中的固溶氢含量水平有关，但没有临界点。46紧固件中氢的来源热处理——紧固件在保护性（吸热）气氛的热处理时吸氢，特别在紧固件表面存在非金属污染物，如残留有润滑剂的磷和硫，热处理时它们就会扩散到基体里，并形成三角铁素体，增加了氢的吸收并引起脆裂。所以热处理前工件必须清洗干净，热处理后回火以降低工件中的氢含量。酸洗——氢进入工件的主要环节，工件吸收的氢量与处理的时间平方成正比；溶液PH值越小，工件氢饱和量越高；工件表面光洁度越高，氢越易进入工件内。因此高强度的紧固件不能酸洗（喷砂）47阴极除油——阴极除油的速度较快，但阴极除油过程会产生大量的氢原子渗氢。因此阴极除油宜采用大电流短时处理，σb大于1450MPa的工件需采用阳极除油法。电镀——镀锌时有析氢现象，但锌层会阻止氢的渗入，同样镀锌前有氢的渗入则氢不易逸出。因此初始电镀电流要大，镀层不能太厚（小于8цm），硬度大于HRC49则不适合使用电镀。电镀后必须在钝化前进行烘烤除氢，工件强度越高，间隔时间越长（一般小于4小时）、烘烤时间越长。48应力腐蚀断裂失效特征应力腐蚀氢脆应力与环境必须有拉应力不一定有拉应力存在对材料敏感的化学介质．必须含有氢，强度越高，所需的含氢量越低即可发生断裂．断口形貌脆性断口脆性断口多呈沿晶断裂，有时出现解理断裂．断口为沿晶断裂，呈冰糖状断口，晶面上有撕裂棱，有时出现（准）解理断裂腐蚀时间长，断口有泥状花样裂纹形貌裂纹从表面开始裂纹从内部开始裂纹分叉，有较多的二次裂纹裂纹几乎不分叉，有二次裂纹裂纹源可能有一个或多个裂纹源可能有一个或多个49螺栓断裂照片50过载塑坑断口51过载断裂螺栓52过载断裂螺栓53过载断裂螺栓54过载解理断口55565758过热断口59606162淬火裂纹63646566676869氢脆断口707172应力腐蚀断裂73自攻螺栓断裂7475767778螺栓疲劳断裂798081汽车连杆断裂82838485868788899091失效分析实例1.车前轮窝杆断裂某汽车部件小齿轮轴发现有2件发生断裂（见下图），断裂部位为轴的退刀槽处.该公司反映该轴每件均需经过扭力实验测定,但经过装配出厂后汽车用户发现这两失效件发生零公里断裂.小齿轮轴材料为20Cr,热处理工艺为:880℃碳氮共渗,790℃淬火,140℃90分钟回火，渗碳层深度为0.3～0.6mm.92939495969798断口表面金相组织回火马氏体+碳化物+残余奥氏体99断口中心部位金相组织回火（板条）马氏体+铁素体100涡杆齿部近表面金相组织回火马氏体+屈氏体（黑色）HV0.3716（平均）101涡杆齿心部金相组织铁素体+少量马氏体（HV1.0294）1021031041051061071081092、架桥机螺栓裂纹检测某批次螺栓的材料牌号为20MnTiB，客户要求确定该批紧固件（见下图）的裂纹性质.110111112实际使用的材料不符合113114螺栓法兰面上裂纹115116117118119螺杆断面上的裂纹1201211221231241253.大型粉碎设备青铜盘和钢盘摩擦副磨损失效126127128钢盘凹磨损面和腐蚀产物照片129青铜凸磨损曲面扫描电镜照片130131132钢盘的带状组织1334.滤清器密封圈座失效分析134135136137密封圈座下表面主裂纹附近的微观裂纹138裂纹打开后的形貌139A点的韧窝断口140B点的疲劳条纹141裂纹两个表面的摩擦痕1425.锅炉蒸发器管漏水143锅炉蒸发器管锅炉蒸发器管锅炉蒸发器管144弯头穿孔漏水处145失效管穿孔处管外壁形貌146失效管穿孔处管内壁形貌147管壁腐蚀裂纹破断后的截面照片148弯管在投影仪中的弧度149穿孔部位管壁（mm）上沿左侧3.13上沿中部3.22上沿右侧3.17中部左侧3.20中部裂纹中部右侧3.32下沿左侧3.11下沿中部3.14下沿右侧3.32直管部位管壁(mm)2.91,2.97,2.93,2.99,3.02,3.03,3.02,,2.99,2.96,3.00表1失效件穿孔部位管壁与直管部位管壁比较失效件穿孔部位管壁与直管部位管壁比较150管弯头处焊接端部径向剖开截面照片151椭圆处照标准已经不符合管截面上部放大152元素COMgAlSiKCaTiFe重量百分数%19.0229.220.322.355.816.961.173.3131.84裂纹右端腐蚀产物成分裂纹腐蚀产物成分153二次裂纹沿晶扩展照片154ABCDDS细粗细粗细粗细粗0000000.500表2失效管材质的夹杂物评级结果1556.消防水管断裂156157支撑水管三角铁架墙面开裂158断裂部位为管卡连接的管口凹槽处159断口切应力作用下层片状形貌160准解理+少量韧窝断口161水管凹槽处表面形貌162水管凹槽剖面图1631641657.大型挖掘机油阀螺栓断裂166167168设计图纸螺栓1391/3410D型，为半螺纹螺栓，杆部长40mm，其中螺纹部分为32mm，光杆部分为8mm。供应商按客户的螺栓供应要求ISO4762-1997标准，螺栓杆部长度小于45mm的10M螺栓均为全螺纹螺栓，提供的杆长40mm的10M全螺纹螺栓符合ISO4762标准。169170图纸规定该螺栓应施加57Nm的预紧力，实际装配时的预紧力为42Nm，仅为规定值的74%。1718.丝杠断裂172173174175元素碳（C）硅（Si）锰（Mn）铬（Cr）钼（Mo）硫（S）磷（P）镍（Ni）铜（Cu）要求.%0.95～1.050.15～0.350.25～0.450.50～1.65≤0.10≤0.025≤0.025≤0.30≤0.250结果.%0.6450.0830.5800.1820.0560.00460.00550.1400.125176丝杠螺纹杆处金相组织（螺纹表面）图7丝杠螺纹杆处金相组织（芯部）测试项目测试位置结果HBW5/750芯部237239237177案例九A：某公司一根失效增压器轴，轴转速为15000~20000rpm，运行约3860小时断裂。轴的材料是St13T耐蠕变钢，锻造成型。失效轴的断口断面平滑，外凸呈碟子状，说明该轴在服役时承受弯曲应力。178用体视镜测量断口处过渡圆角的半径，半径为0.37mm,不满足图纸2mm的要求。179断口附近取样，试样的组织为粗大的回火索氏体，有带状组织断口上有疲劳纹，故该轴属于疲劳断裂180测试项目抗拉强度(Rm)(N/mm2)屈服强度(RP0.2)(N/mm2)断后伸长率(A)标距=4d,(%)(Z)(%)结论要求950-1150≥800≥10≥35-横向102984612.025不合格测试项目抗拉强度(Rm)(N/mm2)屈服强度(RP0.2)(N/mm2)断后伸长率(A)标距=4d,(%)断面收缩率(Z)(%)要求950-1150≥800≥12