材料失效案例分析

1、材料失效案例分析材料失效案例分析 指导老师：李荣华指导老师：李荣华 姓姓 名名： 学学 号号：1 1失效分析简介 提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠，可是在技术上要求机械产品达到100的可靠性是不可能的，所以要求尽可能地降低机械产品的事故率。因为机械产品在使用过程中常常发生断裂、变形、磨损、腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措施，必须开展失效分析实例的研究。 目前，随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科。它不仅与断裂力学、断裂物理、断口学等学科相关联，而且还涉及产品质量全面管理等领域。2 2失效的基本概念失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试

2、验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了原设计功能的现象。常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。3 3失效的类型断裂失效：断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。变形失效：所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。磨损失效：磨损是指金属或合金的两个相互紧密结合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。腐蚀失效：

3、腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。4 4失效分析失效分析 失效分析是指分析研究机械构件的断裂、变形、磨损、腐蚀等失效过程的特征或规律，并从中找出损坏的原因的一门新的分析技术，称为“失效分析”或“失效分析学”，还有人称之为“事故分析”或“故障分析”等。5 5失效分析的目的防止同类失效现象重复发生失效分析是机械产品设计、制造的依据消除隐患，确保产品安全可靠失效分析可以提高产品的信誉6 6失效分析方法 机械构件在使用过程中常常发生磨损、腐蚀、变形和断裂等损坏现象，造成严重事故的例子是举不胜举的。人们为了防止机械构件的损坏，特别是突然断裂损坏现象的发生及提高材料的使用寿

4、命，很早就开始对机械构件损坏的原因进行分析和研究，并据此提出防止类似事故再度发生的改进措施。这样就形成了一门新的分析技术，称之为“失效分析”或“事故分析”。7 7失效分析的步骤 在进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。原始资料的收集碎片（或断片）的选择与保存失效部位分析化学、力学、物理等试验分析综合分析8 8发动机零件失效案例分析 发动机是使用极其广泛的动力机械, 零部件处于不同工作条件下, 往往产生不同的失效形式。即使是同一零件, 产生相同的失效形式, 也可能是不同原因引起。 下面列举几个列举几个发动机零件失效案例并进行分析。9 91.曲轴疲劳断裂失效 该曲轴经检修后, 运行了6 000

5、km , 在连杆颈与主轴颈之间的曲柄臂处发生断裂，如下图1所示1010断口形貌分析断口形貌分析 断口宏观照片见图2。断裂面的宏观形貌示意图见图3。由图2及图3可见, 该曲轴为典型的疲劳断裂。 1111 为了查明曲柄臂断裂原因, 必须首先分析两个裂纹源中哪个是最初裂纹源。 1212断裂原因断裂原因分析分析 疲劳裂纹源产生的主要原因一般是材质不良和加工不当。 该曲轴的材质为经调质处理的球墨铸铁, 其化学成分、金相组织和力学性能都符合设计要求。从机械加工来看, 该曲轴连杆颈与曲柄臂相交的的圆弧加工质量太差。其圆弧的形状如图5所示。13132.曲轴连杆颈磨损失效 某轿车发动机曲轴的照片如图6所示。在其

6、第三连杆颈表面存在较为严重的拉伤现象, 并产生网状裂纹(龟裂) 。 连杆颈表面拉伤的的宏观形貌如图7所示。透过拉伤痕迹, 可见到连杆颈表面存在网状裂纹, 其金相照片分别示于图8。1414连杆颈表面拉伤的机理连杆颈表面拉伤的机理分析分析 连杆颈与连杆瓦是一对摩擦副。在曲轴正常运转的情况下, 连杆颈与连杆瓦之间有一层润滑油薄膜起润滑作用, 并将两个摩擦表面隔开。检验发现, 该曲轴笫三连杆颈表面无润滑油,连杆颈与连杆瓦之间呈现较为严重的干摩擦现象。在润滑失效的情况下, 两个摩擦表面的金属直接接触, 便产生粘着磨损。 1515 当曲轴在高速、高负荷条件下运转时, 摩擦表面显微凸起部分的金属不断产生粘着

7、磨损, 使金属表面沿着滑动摩擦方向形成粗糙的条带或沟槽, 即所谓“拉伤”痕迹。1616连杆颈表面裂纹的机理连杆颈表面裂纹的机理分析分析 随着拉伤过程的发展, 摩擦表面愈加粗糙而产生大量热量, 这种热量将使连杆颈浅表层金属产生两方面的影响: （1） 浅表面金属迅速加热后体积膨胀, 在随后的冷却过中, 由于体积迅速收缩受到内层金属的阻碍, 而在浅表层内产生了拉应力。 （2） 摩擦产生的热量足以使连杆颈浅表层经过表面淬火的金属产生回火现象, 使硬度降低, 并使钢材的比容减小导致体积收缩。表层的体积收缩同样受到内层金属的阻碍, 而在其中引起拉应力。这两种拉应力往往都是双向应力。浅表层金属在这种双向应力

8、的作用下极易产生网状裂纹, 即所谓“龟裂”。 该曲轴第三连杆颈摩擦副产生干摩擦的原因,在于发动机润滑系统未能正常发挥作用。由于金属中的裂纹是不可修复的缺陷, 在裂纹尖端应力场强度因子作用下, 将促使裂纹逐渐扩展, 直至曲轴断裂, 因此该曲轴应作报废处理。17173.气缸套裂纹失效 发动机中气缸套与活塞环为一对摩擦副, 为提高气缸套的耐磨性, 在材质上采用高磷铸铁铸造而成。 本案例的气缸套形状示于图10a, 其内表面上端产生了如图10b所示的长约70 mm 的裂纹, 图10c为从内表面穿透到外表面的裂纹。1818气缸套材质化学成分分析该气缸套材质化学成分的光谱分析结果为: C3116%、Si 1

9、175%、Mn 0190%、P 0125%、S0112%。根据JB / T2330 - 1993 内燃机高磷铸铁气缸套金相检验标准, 对 200mm 的气缸套要求其含磷量应大于015%。因此, 该气缸套的材质是不符合要求的。1919气缸套材质的金相分析 根据内燃机高磷铸铁缸套金相检验标准,对该气缸套材质中的石墨、珠光体基体及磷共晶进行了检验。石墨形状示于图11a, 呈菊花状, 合格。珠光体基体示于图11b, 呈粗片状, 属合格范畴。2020 材质中的磷共晶是决定高磷铸铁力学性能的关键组织, 可从磷共晶的分布及组成上来分析。图12a所示为磷共晶分布的金相照片, 磷共晶的网孔直径较大, 最大可达0.43 mm , 磷共晶呈较为严重的枝晶分布, 增加了材质的脆性。图12b为珠光体基体上分布的磷共晶(白亮块状物)金相