工程材料的失效类型及分析.docx
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工程材料的失效类型及分析
工程材料的失效类型及分析
姓名:
于泽通
学号:
12091043
专业:
材料学
材料学院
2012年6月
摘要:
介绍了失效分析的主要类型,阐述失效分析的主要分析思路和分析方法,然后通过选定失效分析中很重要的疲劳断裂失效这一块来进行分析,最后列举模型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析这一实例来具体说明失效分析的步骤和方法。
关键词:
失效分析疲劳
一、失效分析概论及发展历史
1.1失效分析概论
失效指的是设备或装置不能在规定时间内履行其预定的功能,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:
1.零件由于断裂、腐蚀、变形等而完全丧失其功能
2.零件在外部环境作用下,部分的失去其原有功能,虽然能够工作,但不能完成规定功能
3.零件虽然能够工作,也能完成规定功能,但继续使用时,不能确保安全可靠性
而失效分析通常是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。
就是研究失效现象的特征和规律,从而找出失效的模式和原因。
1.2失效分析发展历史
机械零部件实效会造成灾难或重大的经济损失,因此失效分析的意义重大。
失效分析的发展历史可以分为三个阶段:
失效分析初级阶段、近代失效分析阶段和现代失效分析阶段。
一般来讲,把第一次世界工业革命前划分为失效分析的初级阶段,这个时期是简单的手工生产时期,金属制品规模小且数量少,其失效不会引起重视,失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。
失效分析真正受到重视是以蒸汽动力和大机器生产为表的世界工业革命开始,生产大发展,金属制品向大型,复杂,多功能开拓但当时人们尚未掌握材料在各种环境中使用的性态,设计,制造及使用中可能出现的失效现象。
早在十九世纪中叶,随着铁路工程的迅速发展,火车轮轴在运行中,在其轴颈圆角根部处发生突然断裂,而在断裂之前轮轴没有显示出任何的宏观可见的塑性变形。
从断裂轴上取样作静强度检验,结果表明轮轴材料完全符合设计规定的要求。
从此,人们开始对这种新的失效形式进行分析研究。
锅炉爆炸,桥梁倒塌,车轴断裂,船舶断裂等事故频繁发生,促使失效分析技术的发展。
此为失效分析第二阶段,此阶段一直延至20世纪50年代末。
20世纪50年代以后,随着电子行业的兴起,微观观测仪器的出现,特别是放大倍率大,景深长的透射及扫描电子显微镜的问世,是失效分析扩大了视野微观机制随后大量现代物理测试技术的应用,如电子探针,X射线显微分析,红外线光电子能谱分析,俄歇电子能谱分析等,从而促使失效分析登上了台阶。
现处在第三阶段的历史发展时期,这是现代失效分析阶段。
而且现在失效分析在工业国家特别是工业发达的国家受到的重视越来越高,对于材料失效问题的判断和解决能力,已经代表了一个国家的科学技术发展水平和管理水平[1]。
二、失效分析的分类
机械零部件的实效类型可以按功能进行分类也可以按实效机理来进行分类,一般来讲机械零部件的功能千差万别,一般不按功能进行分类,此处我们按照工程材料的损伤机理来进行分类。
任何机械失效最终都可追溯到某一构件或某一零件引起的,尽管功能各异,但是在绝大多数的情况下,失效都是由材料的损伤和变质引起的,根据机械失效过程中材料发生的物理、化学的本质机理不同和过程特征的差别,主要可分类如下[2]:
Ø变形:
可分为弹性、塑性、粘弹性变形
Ø断裂;韧性断裂、解理断裂、准解理断裂、疲劳断裂、沿晶断裂。
其中,疲劳断裂又可以分为:
机械疲劳、腐蚀疲劳、高温疲劳、热疲劳。
Ø磨损:
磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损、变形磨损等
Ø热损伤;熔化、过烧、过热、蒸发、热冲击、迁移(漂移、扩散、偏析)
Ø腐蚀:
化学腐蚀、非金属的老化、电化学腐蚀。
电化学腐蚀又可以分为:
点蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀、选择性腐蚀、缝隙腐蚀、气氛腐蚀、应力腐蚀、氢脆、腐蚀疲劳。
三、失效分析的分析思路和基本方法
3.1失效分析主要思路
取样是失效分析的关键步骤,由于在大多数情况下只能取一次样,完成一次观察和测量,如果在整个程序上有一步发生错误,将导致整个分析的失败。
因此在进行分析之前就要有一个好的思路。
实际失效分析中经常会用到以下三种分析思路:
1、仔细分析原因,逐个排除
失效发生有偶然性也有必然性,当发生失效时,我们要从从人、机、法、料、环这五个因素中去例举可能的原因,并逐个排除,找出致使构件失效的真正原因。
如果确定是在机械范围内的原因,我们就要从设计、选材、机械加工、热处理、二次加工、装配、调试等每个工序进行分析,逐个排除。
这种分析思路,考虑问题周全,不会放过任何一个疑点,但费时费力。
当实在找不到任何确切的原因时,再要考虑这个思路。
2、收集残样,分析端口与变形
从物理、化学的角度对失效零件进行分析,比如分析构件是由于纯粹的物理失效还是化学作用导致的失效,还是由于在物理因素和化学因素共同作用下失效的,即以服役条件、断口特征和失效抗力指标作为分析线索。
3、用失效分析树来进行逻辑分析
失效树的定性分析目的是为了寻找系统的最薄弱的环竹,以使人们可以集中力量来解决这些问题,提高系统的可靠性和稳定性。
失效树分析法是:
在系统设计过程中,通过对可能造成系统失效的各种因素(包括软件、硬件、环境、人为因素等)进行分析,画出逻辑框图(即失效树),从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率,以计算系统失效概率,采取相应的纠正措施,以提高系统可靠性的一种设计分析方法。
3.2失效分析的基本方法
如何来进行失效分析,思路固然重要,但是只有思路没有方法也不可行。
失效分析的主要方法有:
目视检测及痕迹分析、失效现场取证和收集背景材料、分析试验等。
1、目视检测及痕迹分析
所谓目视检查、痕迹分析,就是对变化特征进行诊断、归纳、总结,并找出变化的过程和原因,为事故和失效分析提供线索和证据。
它是机械产品、工件失效分析中最重要的分析方法之一,对判断失效性质,找出原因有着重要意义。
从一些特征现象,我们可以进行各种分析如:
受力分析、温度和介质的影响关系分析、外来物污染分析等一系列因素分析中,可以提供直接或间接的证据。
2、失效现场取证和收集背景材料
失效现场取证所应注意观察和记录的项目主要有:
.失效部件及碎片的名称、尺寸大小、形状和散落方位。
.失效部件周围散落的金属屑和粉末、氧化皮和粉末、润滑残留物及一切可疑的杂物和痕迹。
.失效部件和碎片的变形、裂纹、断口、腐蚀、磨损的外观、位置和起始点,表面的材料特征,如烧伤色泽、附着物、氧化物和腐蚀生成物等。
.失效设备或部件的结构和制造特征。
.环境条件(失效设备的周围景物、环境温度、湿度、大气和水质)。
.听取操作人员及佐证人介绍事故发生时情况。
在观察和记录时要按照一定顺序,避免出现遗漏。
例如观察和记录时由左向右、由上向下、由表及里和由低倍到高倍等。
所应收集的背景材料通常有:
.失效设备的类型、制造厂名、制造日期、出厂批号,用户、安装地点、投入运行日期、操作人员、维修人员、运行记录、维修一记录、操作规程和安全规程。
.该设备的设计计算书及图纸、材料检验记录、制造工艺一记录、质量控制记录、验收记录和质量保证合同及其技术文件,还有使用说明书。
.有关的标准、法规及其他参考文献。
.收集同类或相似部件过去曾发生过的失效情况。
3.3分析及实验
失效分析试验方法及过程通常包括如下内容:
.金相检查
.化学成分分析
.无损检测
.材料性能测试
.试样的选取、保护和清洗
.试样的宏观检查和分析
.试样的微观检查和分析
.断裂力学分析
.模拟试验
四、失效分析案例
上面我们谈到许多工程材料的失效类型,以下我们选取疲劳断裂里面的纯机械疲劳来进行分析。
4.1疲劳宏观分析
疲劳断裂是金属构件断裂的主要形式之一,在金属构件疲劳断裂失效分析基础上形成和发展了疲劳学科。
自从Wöhler的经典疲劳著作发表以来,人们充分地研究了不同材料在各种不同载荷和环境条件下试验时的疲劳性能。
按交变载荷的形式不同,可分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳、接触疲劳、振动疲劳等;按疲劳断裂的总周次的大小(Nf)可分为高周疲劳(Nf>105)和低周疲劳(Nf<104)。
但无论是何种原因引起的疲劳,其断裂的基本形式只有两种:
由切应力引起的切断疲劳及由正应力引起的正断疲劳。
其它形式的疲劳断裂,都是由这两种基本形式在不同条件下的复合。
疲劳断裂失效分析的内容包括:
分析判断零件的断裂失效是否属于疲劳断裂与疲劳断裂的类别;引起疲劳断裂的载荷类型与大小以及疲劳断裂的起源等。
疲劳断裂失效分析的目的则是找出引起疲劳断裂的确切原因,从而为防止同类疲劳断裂失效再次出现所要采取的措施提供依据。
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂,因而形成了疲劳断裂特有的断口形貌,这是疲劳断裂分析时的根本依据。
大多数工程构件的疲劳断裂断口上一般可观察到疲劳源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域,如图1所示:
图1典型疲劳端口三个区域
(1)疲劳断裂源区的宏观特征及位置的判别疲劳源区一般位于零件的表面或亚表面的应力集中处,由于疲劳源区暴露于空气与介质中的时间最长,裂纹扩展速率较慢,经过反复张开与闭合的磨损,同时在不同高度起始的裂纹在扩展中相遇,汇合形成辐射状台阶或条纹。
因此,疲劳源区一般具有如下宏观特征:
①氧化或腐蚀较重,颜色较深;②断面平坦、光滑、细密,有些断口可见到闪光的小刻面;③有向外辐射的放射台阶或放射状条纹;④在源区虽看不到疲劳弧线,但有向外发射疲劳弧线的中心。
有时疲劳源区不只一个,在存在多个源区的情况下,需要找出疲劳断裂的主源区。
(2)疲劳断裂扩展区的宏观特征该区断面较平坦,与主应力相垂直,颜色介于源区与瞬断区之间,疲劳断裂扩展阶段留在断口上最基本的宏观特征是疲劳弧线(又称海滩花样或贝壳花样)。
(3)瞬时断裂区的宏观特征疲劳裂纹扩展至临界尺寸(即零件剩余截面不足以承受外载时的尺寸)后发生失稳快速破断,称为瞬时断裂。
断口上对应的区域简称瞬断区,其宏观特征与带尖缺口一次性断裂的断口相近。
4.2疲劳微观分析
疲劳断裂的微观分析必须建立在宏观分析的基础上,它是宏观分析的继续和深化。
对断口进行深入的微观分析,才能较准确地判明断裂失效的模式与机制。
疲劳断裂的微观分析一般包括以下内容:
(1)疲劳源区的微观分析首先要确定疲劳源区的具体位置是表面还是亚表面,对于多源疲劳还需判明主源与次源。
其次要分析源区的微观形貌特征,包括裂纹萌生处有无外物损伤痕迹、加工刀痕、磨损痕迹、腐蚀损伤及腐蚀产物、材质缺陷(包括晶界、夹杂物和第二相粒子)等。
疲劳源区的微观分析能为判断疲劳断裂的原因提供十分重要信息与数据,是分析的重点。
(2)疲劳扩展区的微观分析由于第一阶段的范围较小,尤其要仔细观察其上有无疲劳条带、韧窝、台阶、二次裂纹以及断裂小刻面的微观形貌。
对第二阶段的微观分析主要是观察有无疲劳条带,疲劳条带的性质及条带间距的变化规律等。
搞清这些特征,对于分析疲劳断裂机制、裂纹扩展速度、载荷的性质与大小等将起重要作用。
(3)瞬断区微观特征分析主要是观察韧窝的形态是等轴韧窝、撕裂韧窝还是剪切韧窝。
搞清韧窝的形貌特征有利于判断引起疲劳断裂的载荷类型。
4.3某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析
通过上面的分析,下面我们以某型车辆扭力轴断裂为例来进行分析:
在车辆行驶过程中,扭力轴经常在大应力、大应变、冲击和交变扭矩载荷作用下工作,容易发生疲劳断裂[3]。
扭力轴材料为45CrNiMoVA钢,为优化扭力轴的减震性能,提高其抗疲劳性能,制造中采用了淬火+中温回火热处理和表面滚压强化处理。
采用断口分析、金相分析和结构应力分析等方法对断裂的扭力轴进行失效分析,查找该扭力轴的失效原因。
宏观观察发现:
扭力轴断口具有明显的疲劳弧线和放射条纹,如图2所示,可判断扭力轴为疲劳断裂失效
[4]。
图2扭力轴断口宏观形貌
据图2可判断A区为断口的疲劳源,是裂纹萌生区;B区域是裂纹缓慢扩展阶段;C区为裂纹快速扩展阶段,为裂纹快速扩展阶段。
用扫描电镜观察,在断口疲劳源A区发现直径约为0.1mm的粒状夹杂,并在夹杂处发现二次裂纹,如图3所示。
由于夹杂与基体材料结合松散,并且破坏了材料的连续性,扭力轴在受到交变扭矩疲劳载荷作用时,此尺寸较大的冶金夹杂成为应力集中点以及疲劳裂纹生成源[5]。
在断裂扭力轴上取样,磨制抛光后,经4%硝酸酒精腐蚀后,用金相显微镜进行金相组织观察。
扭力轴的材料为45CrNiMoVA钢,经淬火+中温回火处理,正常组织为回火屈氏体。
试样的金相组织为晶粒细小的回火屈氏体,如图4所示,符合热处理要求。
图3源区夹杂物400×图4扭力轴金相组织500×
当扭力轴受到扭矩载荷作用时,轴的截面会受到因扭转而产生的最大切应力τmax,这时,在与轴线成45°角的方向上产生最大拉应力σmax,如图5所示。
在最大拉应力的作用下轴表面上的材料薄弱环节(如夹杂、孔洞等)处将会产生非常大的应力集中,并引发疲劳裂纹萌生,随后微裂纹会继续沿主应力方向扩展,并最终形成与扭力轴母线成45°角的标准“正断型”疲劳断口,见图5。
因此,可以说该轴的断裂是因为最大拉应力拉断的。
图5断口局部应力分析示意图
扭力轴的断裂失效多发生于轴体靠近端部的过渡圆弧附近扭力轴端部附近存在应力/疲劳危险断面,导致扭力轴在端部附近容易发生断裂。
但是按照设计要求,车辆在平直路面上平稳行驶时,扭力轴基本上只承受纯扭转载荷。
轴体表面上的最大应力是沿轴体均匀分布的,轴体表面不存在应力/疲劳危险断面。
可是当车辆在越障、制动或发生摔车等动作时,巨大的路面冲击载荷和车体惯性载荷联合作用,会使车体发生变形,对扭力轴造成附加弯矩作用,如图6所示。
该型车辆车体较轻,车体变形较为严重,因而扭力轴上会产生一定量的弯曲变形,沿轴体的最大应力分布不均匀。
这种由于车体变形造成的扭力轴附加弯曲应力,会使轴体产生疲劳危险点,这是造成扭力轴疲劳断裂多发生在靠近扭力轴端部的主要原因。
为了印证结论,ANSYS动力学仿真软件进行建模分析,在模型中将扭力轴左端面固定,在右端刚性体上同时施加分别绕轴向转动角和垂直于轴向的弯曲转角,如图7所示。
图6车体变形示意图图7扭力轴有限元模型
经过计算分析,得到扭力轴在扭矩和弯矩作用下的应力分布云图,图8是弯曲转角分别为0°和0.94°时扭力轴的第一主应力分布云图。
计算结果表明:
在没有附加弯曲转角时,扭力轴表面第一主应力分布均匀,应力值为637MPa,无应力危险点;当存在附加弯曲时,第一主应力沿扭力轴表面分布不均匀,在扭力轴端部的下侧面产生应力最大值,为705.6MPa,该处就是应力/疲劳危险点,它使扭力轴端部成为应力/疲劳危险断面,易造成扭力轴端部发生早期疲劳断裂。
结构应力分析表明:
当车辆在受到因越障、侧倾、紧急制动等动作所造成的冲击时,车体的变形使扭力轴产生附加弯矩。
该附加弯矩造成轴的端部出现第一主应力最大值,从而成为疲劳危险断面,致使扭力轴的疲劳断裂经常发生在扭力轴靠近轴颈的端部。
因此,通过以上的分析,得出结论:
扭力轴端部存在疲劳断裂危险面,以及次表层蕴含大尺寸夹杂是扭力轴失效的主要原因。
图8第一应力分布云图
五、总结和展望
通过这次的作业报告,了解了失效分析的类型和基本的分析方法,掌握了失效分析的一般步骤,相信会为以后的学习和工作带来很大的帮助。
同时,失效分析技术是一门实践性很强的技术,单靠理论知识是不足以得出正确结论,甚至不足以开展分析的,一定要在以后的科研实践中来理解理论知识,只有这样才能真正的掌握好失效分析这门技术。
参考文献
[1]徐乃欣.二十世纪最引人注目的两起材料失效事故[J].腐蚀与防护,2000.21(12):
574
[2]仇文生.失效分析在工程实践中的应用[D].浙江工业大学.2006
[3]冯勋欣,冯兵,张静萍.履带式自行火炮扭力轴疲劳寿命预测[J].火炮发射与控制学报,1999(6):
32-34.
[4]徐滨士.表面工程与维修[M].北京:
机械工业出版社,1996:
160-161
[5]邢全.扭力轴断裂失效分析[J].黑龙江冶金,2005
(1):
8-10.
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