机械零件失效分析基础知识与工程应用.pdf

文章编号:():./.机械零件失效分析基础知识与工程应用李平平(中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司江苏 常州)摘 要:文章从初学者的角度介绍了对失效分析的一些认识和见解主体内容包括:失效分析基础知识、失效分析思路和方法、失效分析难点与不足、失效分析转型与发展四大部分 重点从失效分析的工程应用入手以产品的全生命周期为线索进而完成失效模式的确定、失效原因的判定和失效机理的鉴定并通过多个工程实例对失效分析的难点与不足展开了详细的阐述关键词:失效分析工程应用思路与方法难点与不足转型与发展中图分类号:.文献标识码:参考文献引用格式:李平平.机械零件失效分析基础知识与工程应用.轨道交通材料():.收稿日期:作者简介:李平平()男硕士高级工程师从事机械零部件失效分析和金相检测研究 失效分析的基础知识机械产品丧失其规定功能的事件称为“机械产品失效”按照 的定义服役的任何结构出现以下 种状态之一即为失效:()完全不能修复时称之为“已失效”最常见的比如断裂()仍可以使用但不能满意地达到规定的功能时称之为“部分失效”比如电子元器件的衰退()受到严重损失而不能安全可靠地使用时称之为“正在失效”比如腐蚀、变形、磨损等 其中后两者可理解为“带病工作”通过其他手段往往是可以修复或完善的产品出现失效之后必然会针对其开展一系列活动即失效分析它是一门发展中的新兴学科需要深厚的金相学、材料学、工程及断裂力学、断口学、痕迹学、裂纹学、腐蚀科学、摩擦学、概率统计、机械设计、装配、使用、维修、检测以及管理等众多方面的知识需要根据失效模式和现象进行模拟、分析、验证找出失效原因挖掘出失效机理最终达到提高产品质量的目的 总之失效分析是一门以机械为对象材料为载体环境为条件测试为手段分析为核心的传统技艺和现代科学相结合的大门类 失效分析一般涉及 项内容:()确定失效模式所谓失效模式是指构件失效后的外观表现形式也就是宏观上看得见并可测量的外观失效特征相当于“病症”包括断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰退 个方面()界定失效缺陷判断缺陷属于冶金、加工、锻造、热处理等哪种类型是导致构件损伤或损坏的实际缺陷如裂纹、腐蚀坑、磨损带、偏析带、磕碰伤等()鉴定失效机理是引起产品产生故障的物理、化学和生物等变化的内因相当于“病理”以不锈钢腐蚀为例缝隙腐蚀、应力腐蚀、晶间腐蚀、电偶腐蚀等均为不同的失效机理所致同样磨损中的磨粒磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损、黏着磨损等也表现为不同的失效机理()判定失效起因相当于“病因”一般从人、机、料、法、环、测 个方面入手建立 尤其对过程进行加严管控()提出解决方案这也是失效分析最终成果的体现因为失效分析的主要目标就是防止同类失效事件的再次发生和提高产品质量 因此确定不同产品的失效模式、失效缺陷、失效机理与失效起因之间的相互关系是失效分析学科的核心内容 失效分析的思路与方法.失效分析思路失效分析思路主要包括撒大网、故障树、逻辑思维法 种其中逻辑思维法最受广大工程技术人员所青睐 无论哪种失效分析思路终极目标都是寻找“源头”即找到失效的原因 目前失效分析多附属于检测机构委托者进行分析的目的也在于找出失效原因的同时完成责任的判定 笔者认为:金属材料机械零部件的制造过程大多较为相近对于初涉失效分析的工作者按失效原因统计更容易试验检测 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月构建整体框架形成较为完整的分析思路 图 为失效分析工程应用示意图这有助于在进行失效分析工作之前梳理产品的来龙去脉进而完成失效模式的确定失效原因的判定和失效机理的鉴定 值得提出的是产品各阶段通常是由不同的责任主体完成的这种划分方式无疑也是确认责任方最好的办法尤其在工程应用当中更为实用图 失效分析工程应用示意图失效的起源一般在零件的最薄弱处遵循木桶的短板效应 很多时候往往会遇到一个木桶出现好几块短板的现象例如图 所示的案例 造成其淬火开裂至少包括 个方面的因素:()裂源处存在大颗粒 夹杂物偏聚属原材料缺陷()内孔近表面区锻比不足枝晶偏析清晰可见这也是夹杂物未发生明显变形和细化的主要原因()应力集中明显有限元分析显示起裂处名义应力最大 以上 方面因素致使齿轮在淬火时以最薄弱处为源发生一次性开裂 那么对照图 可清楚地看到造成齿轮早期失效的原因包括设计、冶金、锻造以及热处理 个阶段 至于责任主次之分则必须结合注油孔结构的设计、内圈锻比的要求、热处理工艺的选择、齿轮开裂的比例等众多因素综合判定.失效分析方法失效分析必须遵循“先简单后复杂先系统后零件先宏观后微观先无损后解剖先测试后验证”等基本原则 其次要掌握背景信息收集、宏观分析、痕迹分析、断口分析、理化分析、裂纹分析等手段 举个简单的例子常用的无损检测方法有(磁粉检测)、(渗透检测)、(涡流检测)、(射线检测)、(超声波检测)五大类其中、适用于发纹、划伤、折叠等表面或近表面缺陷 和 适用于内部夹渣、疏松、白点等缺陷在掌握了原则和手段后结合正确的分析方法将达到事半功倍的效果 通常失效分析方法与中医理论中的望、闻、问、切如出一辙下面就从这 个方面入手简要阐述失效分析方法图 案例()“望”涉及宏观和微观两个方面 宏观分析方法是失效分析中最方便、最常用、最重要的不可缺少的步骤和方法是整个失效分析的基础 其主要通过肉眼观察、照相机、放大镜、体式显微镜等手段完成以下分析:判断失效模式确认失效件属于断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰退中的哪一类查找缺陷的规律性尤其批量问题产品需对缺陷产生的位置、数量缺陷的形貌、尺寸进行统计、类比检查产品结构的合理性如是否存在尖角、凹槽、粗加工刀痕等应力集中现象及尺寸突变等设计缺陷初步确定“失效源”位置可根据断口学、裂纹学等综合判定检查源区及其附近区域是否存在腐蚀、磨损、碰伤等异常现象(即痕迹分析)根据产品结构和断口形貌大致判断产品承受的载荷类型和载荷大小如低、高周疲劳过载等的判别和拉、弯、扭、冲击载荷的确定对服役过程中与失效件匹配的相关件进行排查 通常经过宏观分析可以解决现场绝大多数问题 图 所示案例 为小圆角过渡台阶处产生的小载荷对称弯曲疲劳断裂图中疲劳源位于两侧 角根部弧线呈反向特征瞬断区位于活塞杆中部且占整个断口面积比例很小微观方面主要通过金相显微镜、扫描电子显微镜、透射电子显微镜、原子力显微镜等各种显微测试手段完成以下分析:显微组织分析包括原材料洁净度、表面和基体组织、成分偏析、碳化物、异常组织等此外可结合生产工艺确定裂纹性质及其形成的阶段微观形貌分析主要包括表面形貌和断口形貌等亚显微结构观察李平平 机械零件失效分析基础知识与工程应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月图 案例()“闻”通过化学法、光谱仪、能谱仪、射线衍射仪、微区成分分析等手段完成以下分析:检查失效件牌号是否选用正确化学成分是否满足相关标准要求对与失效件相关的异物进行能谱分析并判断其来源判断元素以何种形式的物相存在 图 中案例 为由氧化铝夹渣引发的疲劳开裂是较常见的微区成分分析方面的应用图 案例()“问”即询问、咨询是背景材料搜集的重要途径 目的如下:了解失效件的整个生命周期 熟悉失效件的工艺历史:.冷加工包括机加工、拉压弯扭、研磨、校直等.热加工包括铸造、锻造、热处理、焊接、补焊等.表面加工包括电镀、喷涂、喷丸、抛丸、清洗、防锈等 获悉失效件服役前的经历如装配、包装、贮存、运输、安装、调试等 收集工作历史过程中的重要信息尤其以下几方面:.载荷类型如静载、循环载荷等.反常载荷如偶然的过载.环境因素如温湿度变化、腐蚀介质等.相关件情况 失效信息的收集例如油温、水温过高报警震动报警电压、电流跳动紧急制动或是其他方面即如何发现的失效“问”这一环节极其重要通过问和望所得到的信息往往是“成炊之米”反之该环节操作不当可能造成结论完全错误 图 所示为案例 某活塞杆表面采用硬氮化处理工艺成品检查时发现表面局部存在磁痕积聚解剖可见数条几乎垂直于表面的浅层裂纹结合裂纹形态和产品制造工艺初步推测开裂由磨削所致 但经现场调研走访后得知:该活塞杆在搬运过程中不慎落地表面硬脆组织层在冲击载荷作用下开裂这与实验室结果完全不同足以可见“问”的重要性图 案例()“切”可根据有无破坏分为无损和有损两部分无损除了前面所述的 种检测方法外残余应力测试近年来也作为无损测试的一个方面得到了长足的发展 有损则为破坏性试验主要包括:力学性能检查原材料低倍检查金相分析(属“望”中微观分析)模拟及试验验证综上针对失效件的复杂程度选用适宜的“望”“闻”“问”“切”方法进行综合诊断并提出可靠性意见即完成失效分析过程 失效分析的难点与不足()团队人员单一设备能力不足如上所述失效分析人员需要掌握或熟悉材料学、金相学、断口学、腐蚀科学、机械设计、模拟仿真等十几种学科但这往往是不现实的毕竟每个人的精力是有限的 因此失效分析是一项团队作业此外失效分析方法章节也提到宏、微观测试需要各种各样的低、中、高端设备就目前而言除了大型的第三方检测机构和国有研究单位很多普通的检测方人员不齐设备简陋 尤其人员方面因为对于金属机械零部件而言断口分析和热处理质量是必不可少的两部分内容所以大部分从业人员都是材料出身这也导致失效分析报告很多时候都只是一份全面的金相检测报告所得结论也是倾向于材料和组织势必形成盲人摸象的氛围 另外不少检测机构除金相显微镜外无扫描电子显微镜等其他微观测试设备导致最常规的断口观察都难以实现()脱离现场的分析失效分析立足于失效背景材料的搜集和对失效样品的分析研究 对于大多数失效技术人员尤其是第三方测试机构而言往往只能获取失效样品而对失效背景材料的搜集则受到限制 这主要是因为失效人员常因时间、地域等条件无法第一时间到达现场对失效零件的背景信息仅停留在感性的认识阶段操作人员通常没有强烈的现场保护意识且李平平 机械零件失效分析基础知识与工程应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月某些他们认为无关紧要的信息也许恰恰就是导致失效的根本原因委托方或第三者转述的信息常存在遗漏或误导性 图 中案例 就是一个典型的例子()脱离工艺评判组织众所周知组织 性能 用途三者之间关系密切然而某些时候需要对盲样进行金相组织判定这往往导致评判结果不够准确 例如图 中案例 所示为 材料经过淬火 低温回火和等温淬火 低温回火的组织从图中可以看到:单纯从金相的角度是很难区分两种组织的再加上二者硬度相当因此需要通过另外的途径来鉴别 将两种组织放大到数千倍在扫描电镜下进行形貌观察图 中可以清晰地观察到等淬形成的下贝氏体与铁素体中轴线约呈 的细小碳化物此为下贝氏体的典型特征 另外将两个试样采用硝酸酒精溶液深腐蚀发现回火马氏体组织试样颜色变化不大整体泛黄而下贝氏体组织试样则明显发黑 至此从显微组织、电镜形貌、低倍腐蚀 个方面对二者进行了较为全面的区分 反之在了解材质和热处理工艺的条件下测试者则可结合金相组织形态快速并准确地做出判断 因此每一类组织的定性判别须结合材质、工艺、硬度、组织形态、电镜形貌等多方面综合考虑图 案例()首断件的判定机械零部件尤其是系统的失效往往会产生多个断裂面 在这种情况下须从众多的开裂或断裂件中准确地找出首断件或肇事件其分析原则如下:脆性断裂在前延性断裂在后疲劳断裂在前脆性断裂在后如图 中案例 低应力疲劳在前大应力疲劳在后均为延性断裂时应根据各零件的受力状态、结构特性、断裂的走向、材质与性能等进行综合分析与评定才能找出首断件 所采用的方法通常有“型法”(见图)、“分叉法”、“变形法”、“氧化颜色法”和“疲劳裂纹长度法”几种图 案例 图 型法()小裂纹样的分析对于大多数裂纹短小断口打开困难的试样而言测试者通常只能通过裂纹的特征判断其类型例如某些淬火裂纹、磨削裂纹、锻造裂纹及锻造折叠等的判别 以淬火裂纹为例其形成原因是多种多样的有夹杂、夹渣、疏松等原材料缺陷引发的有尖角、表面粗糙等应力集中造成的亦有热处理工艺异常导致的然而通过裂纹形貌只能知其然却不知其所以然 因此打开断口无疑是最为行之有效的办法 目前最为常用的是先切片然后三点弯曲法图 中案例 即为小裂纹打开的示例()严重受损件的分析断口如同一台记录仪完整地将裂纹萌生、稳态扩展、失稳扩展及瞬时断裂等详细记录了下来然而经常由于现场人员的疏忽或环境、介质的作用使得断口表面发生严重锈蚀或碰伤、磨损等这对于分析者来说无疑是致命的缺陷 对于表面锈蚀的断口试样测试者首先必须结合宏观、微观、能谱等测试手段判断其是否属于某种类型的腐蚀以及腐蚀介质的来源其次需要采用适宜的方法进行表面清洁处理 对于磨损严重的试样首先根据剪切唇、断面粗糙程度或局部疲劳弧线等残留信息初步判断裂源的大体位置其次观察裂源区域是否存在明显的原材料缺陷或结构设计缺陷最后结合产品的受力情况、安装结构、工况、使用寿命及材质、组织、性能综合推断零件的失效类型 图 中案例 为某花键李平平 机械零件失效分析基础知识与工程应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月轴的断裂分析由图可知:断口已被严重擦伤形貌完全无法辨别但通过“人字纹法”和断面粗糙程度及局部放射棱线等特征依然可以判断:裂源位于键槽根部尖角处该处为直角过渡且加工刀痕清晰可见应力集中非常严重致使花键轴在服役过程中以此为源发生疲劳图 案例 图 案例()“无异常件”的分析通常大部分从事失效分析工作不久的人员常常会遇到失效试样“无异常”的现象经过检查后发现:失效件原材料、表面加工质量及热处理工艺均正常且使用过程中未发生违规操作最后失效分析报告必然就变成了一份普通的检验报告 其实每一类零部件的失效必有其深层次的原因倘若常规检查一切正常则可考虑其结构设计的合理性以及构件自身残余应力的测试等 图 中所示案例 为定位销和销孔尺寸公差设计不当造成销孔屡次被撑裂 本案例中销孔基体的延伸率为 尺寸要求为:孔径(.)销子()通过公式()、()的计算得到销孔的实际延伸率范围:.所以这也不难解释销孔批量开裂的根本原因下限 (.)(.)(.).()上限 (.)(.)(.).()此外因残余应力过大导致的失效近年来屡见图 案例 不鲜然而最常见的 射线方法只能对表面数十微米的范围进行检查且表面必须是平面 而大多数机械零部件的失效部位多为结构相对较为复杂或应力集中严重的地方残余应力的测试误差可能会很大 因此近年来诸如轮廓法、中子衍射法等新的残余应力测试方法逐渐得到市场化应用但测试成本相对较高()定量分析的应用 世纪以前失效分析基本是定性分析但这足以解决生产中遇到的现场问题 然而失效分析发展到现在尤其是可靠性在工程中应用以后定量分析自然也被提上了日程 因此如何巧妙地应用定性与定量分析将是以后中长期发展的趋势 目前失效分析工作中常见的定量分析有以下众多方面:化学包括化学法、能谱(半定量分析)法、光谱法等进行成分分析金相包括组织、物相、残余奥氏体含量、第二相含量、法检测非金属夹杂物、表面渗镀涂层厚度和硬度、晶粒度、铸件孔隙率、球墨铸铁石墨数量及球径大小的统计、裂纹长度、瞬断面积、疲劳条带间距等的测定力学包括拉伸、冲击、疲劳、残余应力等性能的测定无损检测测定缺陷的数量、位置和尺寸等计量结构、尺寸、公差、粗糙度等方面的测定 然而在失效分析应用中也有很多无法定量的情况例如案例 中各因素所起的作用热处理过程中组织应力和热处理应力各自的大小产品内部应力场的分布等等然而这些往往是影响产品寿命的关键因素()计算机模拟的应用机械制造业中有人认为与国外的差距主要是材料有人认为是设计也有人认为是加工和工艺笔者认为计算机模拟的差距不容忽视 时至今日钢铁材料的冶炼水平已达到空前的高度无论是夹杂、夹渣、元素偏析等还是气体含量或者有害微量元素的控制等都已达到了较高的水平 加工和工艺方面考虑到结构、成型难易程度、成本等存在一些差异 设计阶段的模拟则存在明显差距与我国相李平平 机械零件失效分析基础知识与工程应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月比国外的模拟已涉及产品的整个寿命周期包含设计 加工 使用 环境等大幅降低了产品投入使用后的故障率真正做到了“预防为先”因此计算机模拟在失效分析中的应用也是我国失效分析发展的一个重要方向()试验验证的应用通过失效分析会得到相应的试验结论或推论出一个或几个可能的结论然后设计试验来验证所得结论的正确性 验证过程中可选择不同类型的载荷包括载荷的幅值、应力比、加载时间、频率等还可以模拟一些特定的环境例如温度、湿度、气氛、介质等但其常常只能设置一个或者少数几个可变参数 然而对于大多数失效件而言服役往往是在多种类型的载荷即复合载荷下进行的环境亦是在冷、热交变的情况下同时腐蚀介质可能不止一种这些在试验验证时通常不能同时满足即便可以同时改变众多参数其各自的影响程度也无法估量 失效分析的转型与发展综上尽管失效分析在本世纪得到了迅速的发展并推动了断裂力学等相关学科的建立但机械失效学科的建立和完善仍然是失效分析工作者不断努力和奋斗的目标 笔者认为目前失效分析面临着 个方面的转型和 个发展的方向 个转型包括:()事后分析转向事前预测()人工检查转向智能检测()定性分析转向定量分析()解剖检测转向无损检测()案例的碎片化转向互联网 大数据()失效分析由检测转向设计笔者认为失效是产品丧失功能的体现设计以产品满足相关功能为导向二者相互促进相互发展 个发展方向包括:()在线监测与预警()理化检测和试验验证相配合()案例分析向安全评估发展()非金属及电子元器件失效分析的发展()计算机模拟在失效分析中的应用 结束语失效分析是一门工程类学科也是一个永恒的历史问题和科学活动之一 随着工业发展的快速进程失效分析作为正在兴起的单一边缘学科必将发展成为多学科交叉的复杂系统科学发展迅猛 工程技术人员应当丰富现场经验引入先进的理念和手段积极建设适应各行业的完整体系参考文献:钟群鹏.失效分析基础知识.理化检验 物理分册():.刘柯军李平平 机械零件失效分析工程技术属性.轨道交通材料():.张峥.失效分析思路.理化检验 物理分册():.张栋.机械失效的痕迹分析.北京:国防工业出版社.吴连生.失效分析技术及应用.理化检验 物理分册():.陶春虎颜鸣皋钟群鹏机械失效分析发展的战略思考.理化检验 物理分册():.陶春虎杜楠张卫方.失效分析发展问题的思考(创刊词).失效分析与预防():.(.):.:李平平 机械零件失效分析基础知识与工程应用 轨道交通材料 第 卷 第 期 年 月