三步驟簡(jiǎn)易分析法在失效分析中的使用

吳藝波，李志宏，王瀚毅

（廣東產(chǎn)品質(zhì)量監(jiān)督檢驗(yàn)研究院，廣東佛山 528300）

0 引言

機(jī)械產(chǎn)品喪失其應(yīng)有功能的現(xiàn)象稱(chēng)為失效[1]。機(jī)械產(chǎn)品在實(shí)際制造和使用中，材料損傷和缺陷是不可避免的[2-3]。失效分析為目前的一門(mén)新興學(xué)科，其主體思想為根據(jù)工件失效行為與表現(xiàn)現(xiàn)象來(lái)通過(guò)有損或無(wú)損分析找出相應(yīng)的失效原因，推演出失效機(jī)理[4]，并通過(guò)相應(yīng)的機(jī)理來(lái)進(jìn)一步分析改進(jìn)工件的相應(yīng)工藝。而目前在廠(chǎng)家的實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中并不具備相應(yīng)的失效分析設(shè)備與手段，基于此種現(xiàn)象本文提出針對(duì)工件的簡(jiǎn)易三步驟分析法來(lái)快速評(píng)價(jià)零件失效原因及改進(jìn)工藝，以期通過(guò)最簡(jiǎn)易、快速、高效的手段來(lái)考評(píng)失效產(chǎn)生的原因，從而提出改進(jìn)工藝。

簡(jiǎn)易三步驟分析法主要針對(duì)金屬零件的失效分析，其程序?yàn)椋海?）觀(guān)察斷裂失效斷口考評(píng)其斷裂方式；（2）對(duì)斷裂附近的試樣進(jìn)行成分分析是否符合要求，以評(píng)價(jià)其原材料是否符合要求；（3）對(duì)金相及硬度進(jìn)行測(cè)試及觀(guān)察其是否符合熱處理要求。其具體流程圖見(jiàn)圖1。

螺桿在工作時(shí)發(fā)生斷裂，通過(guò)拆下觀(guān)察，發(fā)現(xiàn)螺桿從螺桿中較細(xì)的部位發(fā)生斷裂，其余部位完好。該螺桿材料為42CrMo，工作溫度維持在280℃～300℃，在使用前樣品經(jīng)過(guò)調(diào)質(zhì)→中頻表面淬火→鍍鉻的熱處理工序。

圖1 失效分析簡(jiǎn)易三步驟分析法流程圖

圖2 斷裂位置圖示(箭頭所示)

1 檢測(cè)樣品使用情況及斷口宏觀(guān)分析

檢測(cè)樣品的斷裂情況與部位如圖2、圖3所示，其箭頭所指為斷裂位置，對(duì)于全部設(shè)計(jì)圖與局部放大細(xì)節(jié)圖比較，斷裂部位為螺桿中較細(xì)的部位。

圖3 實(shí)際斷裂情況（箭頭所示）

檢測(cè)樣品的斷口宏觀(guān)形貌圖如圖4所示：斷口方向?yàn)榇怪庇谳S向橫切面斷裂，斷口整體較為平整，邊緣略呈現(xiàn)凹陷狀，整個(gè)端面分布有同心圓狀花紋，其塑性變形痕跡較為明顯?？v觀(guān)斷口形貌，未見(jiàn)顯著疲勞斷裂裂紋源與裂紋擴(kuò)展區(qū)，亦未觀(guān)察到脆性斷裂特征區(qū)域[5]。

圖4 宏觀(guān)斷面形貌

2 樣品化學(xué)成分分析及硬度檢測(cè)

2.1 化學(xué)成分檢測(cè)

本樣品的制造材料為42CrMo依據(jù)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中所示，應(yīng)符合表1的規(guī)定。

表1 42CrMo的化學(xué)成分范圍

本次檢測(cè)樣品取樣經(jīng)由直讀光譜儀檢驗(yàn)，化學(xué)成分符合國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)GB/T 3077-2015《合金結(jié)構(gòu)鋼》中所規(guī)定的值，結(jié)果如表2所示。

表2 檢測(cè)樣品的化學(xué)成分

2.2 硬度檢測(cè)

因?yàn)楸敬螜z測(cè)委托方未能提供檢測(cè)樣品交貨設(shè)計(jì)硬度值，而硬度值指標(biāo)可間接反應(yīng)熱處理工藝是否符合要求，本測(cè)試取與斷面平行的端面硬度，編號(hào)1～5所示點(diǎn)為端面中心點(diǎn)至試件外緣依次取點(diǎn)，所選硬度標(biāo)尺為HBW2.5/187.5。

表3 檢測(cè)樣品硬度結(jié)果

3 金相分析

3.1 非金屬夾雜物形貌

夾雜物樣品取自圖5所示的1、2部位。1、2部位其夾雜整體量比較少，尚未發(fā)現(xiàn)大尺寸夾雜物，也無(wú)明顯的材料缺陷。在橫縱面均未發(fā)現(xiàn)有大尺寸及大量分布的夾雜物。其具體圖像見(jiàn)圖6、7所示。

圖5 金相組織及夾雜物試樣取樣位置

圖6 標(biāo)號(hào)1部位橫向夾雜物100

圖7 標(biāo)號(hào)2部位縱向夾雜物100

3.2 顯微組織形貌[6]

顯微組織樣品取樣部位同上為1、2部位，其金相組織為回火索氏體，其金相組織為調(diào)質(zhì)組織，其中表面有馬氏體分解結(jié)構(gòu)痕跡，符合廠(chǎng)家提供的調(diào)質(zhì)→中頻表面淬火→鍍鉻的熱處理工序。其具體形貌見(jiàn)圖8、9。

圖8 標(biāo)號(hào)1部位樣品顯微組織200

圖9 標(biāo)號(hào)1部位樣品顯微組織500

4 結(jié)果[7-8]

（1）經(jīng)化學(xué)成分分析，樣品材料符合42CrMo的成分要求。最終產(chǎn)品的硬度整體較為均勻，且整體硬度為210HBW2.5/187.5至250 HBW2.5/187.5之間。

（2）樣品最終熱處理顯微組織為回火索氏體+表面部分馬氏體，符合委托方熱處理工藝。

（3）觀(guān)察表明，斷口未出現(xiàn)明顯的疲勞斷裂源位置的特征。斷口應(yīng)為過(guò)載裂紋出現(xiàn)后繼續(xù)承受應(yīng)力反復(fù)磨合所致。

結(jié)合上述測(cè)試及委托方提供的信息分析，樣品斷裂的最大可能為強(qiáng)應(yīng)力作用所致：如過(guò)載、未熱機(jī)啟動(dòng)、裝配不當(dāng)?shù)惹闆r。

5 總結(jié)

本文中針對(duì)工作現(xiàn)場(chǎng)中可能出現(xiàn)的失效分析情況，相應(yīng)的提出了一種“三步驟簡(jiǎn)易分析法”并對(duì)該分析方法進(jìn)行了熔膠螺桿失效的案例分析。由失效的定義可知，失效的判據(jù)及最終目的是依據(jù)的功能的喪失形式而判定與在現(xiàn)有分析基礎(chǔ)上查找導(dǎo)致功能喪失的原因。因此，失效的原因及種類(lèi)的快速判定在實(shí)際的生產(chǎn)中更具意義。

［1］鐘群鵬.失?。ㄊВ┦浅晒Γò踩┲福跘］.全國(guó)工模具失效分析與改性技術(shù)交流會(huì)論文集［C］.2002年10月北京.

［2］查利R布魯克斯，謝斐娟，孫家驤譯.工程材料的失效分析［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2003.

［3］胡世炎.機(jī)械失效分析手冊(cè)［M］.成都：四川科學(xué)技術(shù)出版社，1999.

［4］孫維連，陳再良，王成彪.機(jī)械產(chǎn)品失效分析思路及失效案例分析［J］.材料熱處理學(xué)報(bào)，2004，25 （1）：69-73.

［5］蘇錫九.金屬材料端口分析及圖譜［M］.北京：科學(xué)出版社，1991.

［6］馮曉曾.模具用鋼及熱處理［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1984.

［7］孫維連，王成彪.3Cr2W8V鋼熱鍛模具淬火開(kāi)裂原因分析［J］.金屬熱處理，2003，28（6）：52-54.

［8］劉正義.機(jī)械裝備失效分析圖譜［M］.廣州：廣東科技出版社，1990.