《失效分析150》這本書中的兩個典型的案例

如何快速、準(zhǔn)確地查找失效原因，并提出切實(shí)可行的改進(jìn)措施及建議，進(jìn)而完善裝備，確保和提高裝備的質(zhì)量和可靠性，從而達(dá)到預(yù)測和預(yù)防機(jī)械裝備失效的目的，是失效分析工作者的不懈追求。

今天給大家分享《失效分析150》這本書中的兩個典型的案例

案例一：端聯(lián)器螺栓脆性斷裂失效

零件名稱：端聯(lián)器螺栓零件材料：中碳鉻鉬鋼失效背景：在20余臺重載履帶車輛共6000多個端聯(lián)器螺栓中有3個螺栓斷裂，失效率 為0.044%。失效螺栓均是在使用初期斷裂，見圖1-1，螺栓斷面形貌見圖1-2。圖1-1的失效螺栓是一條新履帶裝車行駛1km后停車維護(hù)時，出現(xiàn)突然斷裂。螺栓頭部一段從端聯(lián)器中間的光孔中掉落，有螺紋的另一段殘留在端聯(lián)器上的螺紋孔中。螺栓的服役條件在靜止時受預(yù)緊靜拉力，運(yùn)動時受預(yù)緊靜拉力加交變切向力。

圖1-1斷裂螺栓 圖1-2斷裂螺栓的正面斷口形貌

失效部位：螺栓斷裂部位位于垂直于軸向的螺紋中部。失效特征：從圖1-2螺栓斷裂面看出，斷口呈起伏狀，無塑性變形，個別區(qū)域有面積大小不等的小平面，整個斷面上無冶金缺陷。斷裂源只有一個，起始于斷面外側(cè)的螺紋根部應(yīng)力集中處，斷裂源寬約1mm，在半徑2mm內(nèi)的區(qū)域內(nèi)較平坦，斷裂源兩側(cè)10mm外的其余斷面外圓處有1mm左右的拉邊，斷面主要由沿晶、冰糖狀、大量的晶間微裂紋組成，整個斷裂面上各個小平面之間沒有顯著的分界線，也沒有疲勞斷裂中的貝紋線，呈現(xiàn)出典型的無塑性脆性斷裂形態(tài)。綜合分析：理化檢測的化學(xué)成分、非金屬夾雜物、晶粒度及熱處理質(zhì)量的結(jié)果表明，原材料、螺栓制造質(zhì)量均滿足技術(shù)要求。螺栓的基體金相組織見圖1-3，微觀掃描斷口形貌見圖1-4。

圖1-3斷裂螺栓的金相組織200x

圖1-4斷裂螺栓的掃描斷口形貌

查找生產(chǎn)作業(yè)，發(fā)現(xiàn)當(dāng)初螺栓擰緊裝配時，實(shí)際擰緊力矩遠(yuǎn)大于設(shè)計規(guī)定的力矩。為對比分析，取9枚螺栓實(shí)物（8枚已使用無問題的螺栓，1枚未使用螺栓），進(jìn)行強(qiáng)斷拉伸試驗(yàn)。螺栓拉伸試驗(yàn)斷口的斷裂源也同樣位于一側(cè)螺紋根部應(yīng)力集中處，屬于線斷裂源，斷口形貌平齊，見圖1-5。斷口微觀形貌見圖1-6。兩種斷口形貌對比見表1-1。

圖1-5合格螺栓斷口形貌（一）

圖1-6合格螺栓斷口形貌（二）

表1-1兩種斷口形貌對比

從表1-1中可看出：失效件斷口顯示螺栓在腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生了應(yīng)力腐蝕，降低螺栓的綜合性能。

失效原因：裝配擰緊力矩大于設(shè)計力矩的端聯(lián)器螺栓在腐蝕環(huán)境下產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕后導(dǎo)致螺栓脆性斷裂失效。

改進(jìn)措施：

1） 加強(qiáng)裝配規(guī)范，確保履帶連接螺栓預(yù)緊力在裝配規(guī)范要求范圍內(nèi)（為增加可靠性，螺栓擰緊力矩上限值比原設(shè)計減少了 20%，安全系數(shù)由原來的1.2倍提升到1.6倍）。

2） 調(diào)整熱處理工藝，螺栓強(qiáng)度由14. 9級降低到13. 9級，在強(qiáng)度指標(biāo)得到保證的前提下，增加了螺栓的韌性，降低履帶連接螺栓產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的敏感性。

3） 在履帶連接螺栓表面增加了保護(hù)層，降低環(huán)境對螺栓斷裂的應(yīng)力腐蝕影響程度。

案例二：汽車發(fā)動機(jī)曲軸表面磨削裂紋

零件名稱：曲軸

零件材料：中碳合金鋼

失效背景：某汽車車輛發(fā)動機(jī)曲軸的主要制造工藝為毛坯鍛造、正火、調(diào)質(zhì)處理、機(jī)械加工、軸頸圓角及主軸頸表面高頻感應(yīng)淬火和精磨。進(jìn)行精磨工序時，在與曲軸軸頸垂直的磨削平面上發(fā)現(xiàn)細(xì)小裂紋。

失效部位：磨削平面。

失效特征：磁粉檢測后裂紋的宏觀形貌見圖2-1。裂紋大致相互平行，垂直于磨削方向，排列規(guī)則，呈細(xì)小、聚集、斷續(xù)串接特征。軸頸圓角及主軸頸高頻感應(yīng)淬火層深度為3?6mm，與軸頸垂直的磨削平面高頻感應(yīng)淬火層最深為8mm，見圖2-2，均超過產(chǎn)品技術(shù)要求。

圖2-1磁粉檢測后裂紋的宏觀形貌

圖2-2組織分布及宏觀偏析

經(jīng)顯微組織觀察，裂紋為等深裂紋，深度約為0.20mm，中間寬兩頭細(xì)；裂紋起源于次表層即拉應(yīng)力最大處，沿帶狀組織擴(kuò)展，見圖2-3；有些與基體中的非金屬夾雜物連通，裂紋兩側(cè)及尾部無氧化脫碳現(xiàn)象；零件帶狀偏析嚴(yán)重，帶狀組織參照GB/T 13299-1991評為4級，見圖2-4。

圖2-3裂紋沿帶狀組織分布50x

圖2-4基體帶狀組織偏析500x

綜合分析：由于感應(yīng)淬火層深過深，在鍛件分模面處表面形成較大的殘余拉應(yīng)力。磨削產(chǎn)生的磨削熱使零件表面的偏析帶產(chǎn)生組織變化和硬度變化，同時也改變了殘余應(yīng)力狀態(tài)。當(dāng)產(chǎn)生的殘余拉應(yīng)力超過自身的抗拉強(qiáng)度時，在零件次表層即拉應(yīng)力最大處萌生裂紋源，導(dǎo)致磨削裂紋。

失效原因：原材料帶狀組織缺陷和磨削工藝不當(dāng)產(chǎn)生磨削裂紋。

改進(jìn)措施：嚴(yán)格控制原材料質(zhì)量，保證基體帶狀組織正常，改善零件磨削性能；通過加大磨削冷卻液容量和減少磨削進(jìn)給量，降低磨削溫度，避免相變發(fā)生；在磨削前增加低溫回火工序，減少殘留奧氏體量，同時大大降低殘余應(yīng)力。