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      淺談金屬構(gòu)件失效分析方法

      2013-09-13 07:25:28李鵬志
      關(guān)鍵詞:齒輪軸源區(qū)碳化物

      李鵬志

      (石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系,河北 石家莊 050081)

      各種金屬構(gòu)件都具有一定的功能,如實現(xiàn)規(guī)定的機械運動、傳遞動力或者能量等,如果這些零件失去最初規(guī)定的效能,即稱之為失效.通過失效分析可判斷出產(chǎn)品的失效模式,查找出產(chǎn)品的失效原因及機理,并采取相應(yīng)的改進(jìn)和預(yù)防措施,防止類似的失效再次發(fā)生.失效分析常見的檢驗方法有:斷口形貌分析、掃描電鏡分析、機械性能試驗、金相組織觀察、斷裂韌性試驗、電子能譜分析等.

      1 斷口形貌分析

      斷口是金屬破斷后獲得的一對相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌,斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的環(huán)節(jié).通過斷口的形貌分析可研究一些斷裂的基本問題,如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等.

      某機械廠生產(chǎn)的礦用圓環(huán)鏈斷口圖片如圖1所示.圓環(huán)鏈斷口由裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和剪切唇區(qū)組成.擴展紋直指裂紋源區(qū),可見裂紋從裂紋源區(qū)萌生并迅速向周圍輻射擴展,形成環(huán)狀擴展區(qū).由此可以推斷,裂紋源區(qū)可能存在組織缺陷形成的薄弱點,造成應(yīng)力集中,萌生裂紋.整個擴展區(qū)與裂紋源區(qū)連成一片,而且除裂紋源區(qū)一小塊表面無剪切唇外,其他斷面都有剪切唇出現(xiàn),說明斷裂由一個裂紋源擴展而成.

      圖1 圓環(huán)鏈斷口宏觀形貌

      2 掃描電鏡分析

      掃描電子顯微鏡適用于對凹凸不平的表面進(jìn)行連續(xù)放大觀察,其電子圖像立體感強,分辨本領(lǐng)可達(dá)15nm左右,是斷裂失效分析的最有效工具之一.

      以某農(nóng)用三輪車變速箱斷裂齒輪軸為例,通過掃描電子顯微鏡(SEM)高倍觀察到的其斷口形態(tài)如圖2所示.

      圖2 齒輪軸微觀斷口分析

      由圖2知,斷口為河流狀穿晶解理和準(zhǔn)解理斷裂形態(tài)[1],并且未見原始裂紋、沿晶斷口、異常夾雜物等缺陷,也未見疲勞斷口特征.擴展區(qū)均為穿晶解理和準(zhǔn)解理斷口.掃描電鏡分析表明,齒輪軸微觀斷口為穿晶解理和準(zhǔn)解理脆性斷口,屬于一次快速脆性斷裂.

      3 金相分析

      參照GB/T 226-1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》[2],截取不同部位的試片,依次經(jīng)鑲嵌粗磨精磨4%硝酸乙醇溶液侵蝕等制成金相試樣,再通過金相顯微鏡觀察剖面的金相組織.有些失效構(gòu)件只需金相觀察就可以查明損壞的原因.例如,由加工工藝、材質(zhì)缺陷和環(huán)境介質(zhì)等因素所導(dǎo)致的損壞,均可通過金相觀察來判別損壞的原因.金相檢驗的內(nèi)容包括晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小及分布、夾雜物、疏松、裂紋、脫碳等.特別應(yīng)注意晶界處是否有析出相、腐蝕等現(xiàn)象發(fā)生.

      圖3 T91鋼管向火側(cè)的金相組織

      某電廠已爆管失效的鍋爐T91鋼管制再熱器管道向火側(cè)的金相組織如圖3所示.通過金相觀察發(fā)現(xiàn),碳化物顆粒整齊地排列于晶界,個別已經(jīng)相接成串,晶內(nèi)的碳化物顆粒數(shù)量變少,個別碳化物顆粒變得比較粗大.這是因為在高溫和壓力的長期作用下,碳化物顆粒在晶內(nèi)粗化長大,一些碳化物顆粒分布于晶界上,而在晶內(nèi)的碳化物顆粒數(shù)量逐漸減少,發(fā)生Ostwald熟化.而且,由于在晶界上存在大量的空位、位錯等缺陷,溶質(zhì)的擴散速度遠(yuǎn)大于晶內(nèi),造成碳化物在晶界處不斷析出和長大,并成串分布,而這就是裂紋的發(fā)生源.

      4 化學(xué)成分分析

      化學(xué)成分分析主要是采用光譜法測定金屬構(gòu)件的材料是否符合技術(shù)要求,有無用錯材料或出現(xiàn)成分偏差.在某些特殊失效分析中,特別是包含著腐蝕和應(yīng)力腐蝕的失效案例,需要對腐蝕表面的氧化物、沉積物或者腐蝕產(chǎn)物以及與被腐蝕材料接觸的介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析,以有助于初步確定失效的原因.

      在失效分析中,經(jīng)常使用電子探針、俄歇譜儀、離子探針等儀器來檢測失效件的腐蝕產(chǎn)物、表面化學(xué)元素組成、化學(xué)成分的局部偏析以及微量元素等.

      圖4為某失效件表面腐蝕產(chǎn)物的光電子能譜分析結(jié)果圖.可以看出,失效件表面的主要成分為Fe3O4.可以斷定,該工件的腐蝕介質(zhì)中HCl和H2S的含量不大,主要是發(fā)生了氧化腐蝕[3].

      圖4 某腐蝕失效件表面能譜分析結(jié)果

      5 人工模擬斷口分析

      在初步確定失效原因后,應(yīng)及時進(jìn)行模擬試驗,以驗證初步結(jié)論的可靠性.

      仍以農(nóng)用三輪車變速箱斷裂齒輪軸為例.為進(jìn)一步分析齒輪軸的斷裂機理,在斷口附近取材,制成直徑5mm的棒狀試樣,表面預(yù)設(shè)切口,室溫下自表面切口處人工打斷.SEM下觀察其微觀形貌,如圖5所示.人工斷口與實物斷口斷裂形態(tài)(圖2)一致,均為穿晶解理和準(zhǔn)解理斷裂.

      圖5 人工模擬斷口分析

      6 失效分析的其他方法及建議

      金屬構(gòu)件失效分析除上述方法外,還有機械性能試驗法.我們可以通過硬度試驗測定失效件的硬度值,通過拉伸試驗測定強度值和塑性值,通過彎曲試驗測定抗彎強度,通過擺錘的一次沖擊試驗測定沖擊韌性,以校驗該構(gòu)件的力學(xué)性能是否符合技術(shù)要求.

      在失效分析過程中,要及時對各種檢查和試驗所得的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和研究,得出失效的一種或幾種主要原因,提出改進(jìn)和預(yù)防措施,防止類似失效的再次發(fā)生,并寫出失效分析報告.

      [1]鐘振前,楊 春,朱衍勇,等.齒輪軸斷裂失效分析 [J].物理測試,2011,29(1):59-62.

      [2]冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院冶金標(biāo)準(zhǔn)化研究所,中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第五編輯室.金屬材料金相熱處理檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)匯編 [M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社,2006:98.

      [3]趙 敏,康強利,郭興建,等.腐蝕失效分析方法及展望 [J].理化檢驗:物理分冊,2006,42(12):624-630.

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