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失效分析

日期:2015年4月20日 11:25

  背景介绍

  机械产品在使用过程中常发生断裂、变形、磨损及腐蚀等失效现象。为了防止或延缓这些失效现象的发生,找出失效原因和提出改善措施,必须开展失效分析。目前,随着现代科学技术的迅速发展,失效分析已经成为一门综合性学科。它不仅与材料科学、断裂力学、断裂物理和断口学等自然科学相关联,而且还涉及产品质量全面管理等社会科学领域。

  服务流程

  1、机械构件多数是在运行过程中发生断裂失效的,当一个零部件断裂损坏时,它和别的零部件、周围环境和操作等均有着十分紧密的联系。金属实验室收到失效零件后,会从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因,并根据损坏的原因、机理、类型和阶段,进行分析判断,制定出改进措施。

  2、断裂过程是个动态变化过程,断口是断裂的静态反映,对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因和机理等。断口如实的反应了机械构件断裂的全过程,即机械构件裂纹的萌生与扩展过程,因此断口分析是失效分析的一个重要手段。

  3、为了取得更好的分析效果,还必须辅以无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、X射线分析、断裂韧度试验及模拟实验等检验方法,最后将分析和试验结果进行综合分析,提出改进措施,编写失效分析报告。

  案例

  H13钢是一种含硅、铬、钼和钒的中合金热作模具钢,其化学成分与我国的4Cr5MoSiV1钢相当。H13钢具有较好的耐磨性、高的冲击韧性和抗冷热疲劳性能,热处理变形较小,是一种综合性能优良的模具钢,广泛应用于汽车零部件的热锻模具。某锻造企业采用H13钢作为汽车曲轴热锻的模具材料。该模具的设计寿命为4500~5000件,但部分模具仅生产100多件即发生断裂失效,造成很大的经济损失。

  检验内容:

  (1)原材料化学成分

  (2)硬度测定

  (3)断口形貌

  a、宏观检查

  模具的断裂失效部位形貌如图所示。模具型腔未发现热磨损痕迹,没有明显塑性变形发生,未发现龟裂,也未发现加工刀痕的痕迹,失效模具呈现两条相交的宏观裂纹,呈“T”字型,其中一条横向贯穿模具。根据裂纹的位置和方向,可以判断横穿整个模具的较长的一条裂纹最先形成,阻止了较短一条裂纹向前扩展,故较长的为主裂纹,较短的为次裂纹。

  b、微观检查

  从图中解理台阶及解理扇形花样可以判断该失效模具钢的断裂机制为解理断裂。

 

    

  c、显微组织分析

  对失效模具切割、取样,进行金相制样,用4%硝酸酒精腐蚀后观察其显微组织如图,从图中可看出失效模具钢中存在块状的不均匀组织。
 

     

        a) 纵截面            b) 横截面

讨论

1、从合金元素的分析结果来看,H13模具钢中Si含量偏高而V含量偏低。由于汽车曲轴的锻造过程中,模具温度可能远超过500 ℃,过高的Si含量将促进回火过程中晶间碳化物粗化,恶化钢的抗热疲劳性能。因此,这是造成H13模具早期失效的重要原因之一。

2、由失效模具微观形貌可知,该模具钢的锻后退火态存在大块不均匀组织,可以推断,这是由于模具钢的锻造及预备热处理( 球化退火) 不良所致,这也是造成该模具失效的最重要原因。

3、该失效模具宏观上以劈裂的形式断开,断口呈现明显的人字条纹及放射线花样,表明裂纹的扩展是不稳定的、快速的;微观上可见解理台阶和解理扇形花样,具有解理断裂的典型特征。由此判断其失效形式为脆性断裂,失效机制为解理断裂。

结论


  曲轴热锻模具所用H13钢化学成分与标准中规定的合金元素含量相比,其裂纹源附近的V含量偏低,而Si含量偏高。无论是锻后退火态,或者是最终热处理态的模具钢中都存在带状组织和块状组织,表明该模具钢中的化学成分和显微组织不均匀,致使模具的力学性能尤其是冲击韧度降低,是造成模具早期失效的主要原因。
 

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