材料失效分析案例分析

材料失效分析案例分析（精选8篇）

1.材料失效分析案例分析 篇一

课 程 教 案

课程名称： 材料失效分析实验 任课教师： 刘先兰 所属院（部）： 机械工程学院 教学班级： 2011级金属材料工程 教学时间：2013—2014学年第二学期

湖 南 工 学 院

《材料失效分析》实验

实验课程编码： 学时：6 适用专业：金属材料工程

先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等 考核方式：

一、实验课程的性质与任务

帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。

二、实验项目

实验一 材料失效中的金相分析法实验（2学时）

实验二 零件失效的宏观分析法（2学时）

实验三 静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）

三、实验报告要求

每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。

四、其它要求

实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。

五、教材和参考资料 1教材：

《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.2．参考资料：

[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.[4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.[5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.实验一

材料失效中的金相分析法实验（2学时）

金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。

【2】实验内容或原理

在失效件上切片，制备相关金相试样。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

一、材料失效分析方法分类

一）相关性分析的思路及方法

一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。1.按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法

（1）审查设计 如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。

（2）材料分析 材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。

（3）加工制造缺陷分析 铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。

（4）使用及维护情况分析 超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。

2.根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法

这是较为常用的分析方法。一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。3.“四M”分析思路及方法

所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。

（1）操作人员情况的分析 如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。

（2）环境情况的分析 主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。

（3）设备情况的分析 主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。

（4）管理情况的分析 如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。二）系统工程的分析思路及方法

失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。

失效系统工程分析法主要类型：（1）故障树分析法（简称FTA法）（2）特征—因素图分析法

（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）（4）故障率预测法

（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）（6）模糊数学分析法 三）数理统计分析思路及方法

相关性：

二、失效分析的一般程序

机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。一般说来，大体上包括：

1）调查失效事件的现场，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）综合归纳所有信息并提出初步结论，5）重现性试验或证明试验，6）确定失效原因并提出建议措施，7）写出分析报告等内容。

三、失效分析的步骤 l、现场调查（1）保护现场

（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。（4）选取进一步分析的试样。

（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。（6）写出现场调查报告。

2、收集背景材料（1）设备的自然情况（2）设备的运行记录（3）设备的维修历史情况（4）设备的失效历史情况

（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书（6）材料选择及其依据（7）设备主要零部件的生产流程（8）质量检验报告及有关的规范和标准

3、技术参量复验（1）材料的化学成分（2）材料的金相组织及硬度（3）常规力学性能

（4）主要零部件的几何参量及装配间隙

4、深入分析研究

（1）失效产品的直观检查（变形。损伤情况，裂纹扩展，断裂源）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）

（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）

（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X射线衍射法）

（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核

5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论

根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。

6．重现性试验或证明试验 重大事件： 7．撰写失效分析报告

失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。

机械产品的失效分析报告通常应包括的内容

（1）概述 首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。

（2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。

（3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。

（4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。

（5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。

四、国际上比较公认的分析程序

材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下：

（一）失效情况的描述

以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。

（二）裸眼观察

失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。

（三）机械设计分析（应力分析）

当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。

（四）化学成分设计分析

据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。

（五）制造过程及其各工艺环节分析

错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。

（六）宏观断口形貌检查

在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。（实验二）

（七）微观断口分析

包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。（实验三）

（八）金相检验

金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。（实验一）

（九）性能检验

性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。（实验三）

（十）失效分析

模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。

五、金相分析技术的应用

1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷

2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因

六、金相分析用设备

1、光学显微镜观察

在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为15×15×15mm。将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4％HNO3＋C2H5OH溶液（此为镁合金，不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。

2、扫描电子显微镜观察

铸态、固溶态、挤压态合金的第二相的形态及其在基体中的分布通过Sirion 200场发射扫描电镜上进行观察，对合金相的组成进行能谱(EDX)分析，并观察拉伸试样的断口形貌。

3、透射电镜观察

用水磨砂纸和金相砂纸对铸态、固溶态、挤压态合金的透射电镜试样进行机械减薄到70μm左右，再分别冲裁成直径为Φ3mm的圆片用于离子减薄，离子减薄在Gantan691型离子减薄仪上进行，其减薄时的工作条件为：轰击电压为4~5kV，电流为0.3-0.4mA，入射角为6°-8°。在TECNAI G220型透射电镜上进行观察分析，加速电压为200kV。通过透射电镜主要观察合金晶粒形态、晶内及晶界处位错组态、亚晶、亚晶内位错、位错密度，合金第二相形态及其分布等等。

七、案例分析

1、钢铁合金 1）相图

1538 1495 1394 Fe

2）灰铸铁缸体断裂失效分析

3）灰铸铁轮毂的失效分析

2、铝合金

1）相图

2）低压铸造铝合金轮毂内部缺陷探讨 3）高强度高耐磨性铝硅合金的实验研究

3、镁合金

1）相图 2）金相图片分析

思考题：

1、说明金相分析法在材料失效分析中的意义。

2、分析低碳钢（20）、中碳钢（45）、高碳钢（T10）的平衡组织结构，分析其对合金性能的影响。

3、以铝硅合金为例，从成分、组织和性能的关系出发，分析如何提高铝合金的强度？

实验二

零件失效的宏观分析法（2学时）

宏观分析主要用于分析断口形貌。断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过宏观分析法，让学生了解宏观分析法在材料失效分析中的重要作用。了解各种失效产品在进行分析时其宏观特征。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固各种材料如钢、铁、铝、镁等合金的制备工艺特点的基础上，结合具体失效产品，分析其宏观特征。

【2】实验内容或原理

轴、齿轮的失效分析。腐蚀构件的失效分析。磨损件的失效分析。可用于实例分析的构件有：柴油机曲轴断裂分析、扭力轴断裂分析、工、模具断裂分析、旋转弯曲曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、铝合金/镁合金零件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。

一、分析方法

材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下：

（一）失效情况的描述

以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。

（二）裸眼观察

失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。

（三）机械设计分析（应力分析）

当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。

（四）化学成分设计分析 据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。

（五）制造过程及其各工艺环节分析

错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。

（六）宏观断口形貌检查

在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。

（七）微观断口分析

包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。

（八）金相检验

金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

（九）性能检验

性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。

（十）失效分析

模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。

二、宏观分析方法

根据《机械工程材料测试手册》，按国家标准《钢材断口检验方法》和《碳素钢和低合金钢断口检验方法》规定,已经纳入上述标准的断口有:(1)纤维状断口,(2)瓷状断口,(3)结晶状断口,(4)台状断口...一）断口处理及断口分析的任务

断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。

断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。

在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。断裂的基本分类 1）延性断裂与脆性断裂

断裂前如有宏观塑性变形——延性断裂 断裂前如无宏观塑性变形——脆性断裂 2）穿晶断裂与沿晶断裂

裂纹扩展是穿过晶粒内部的——穿晶断裂 裂纹扩展是沿着晶粒晶界的——沿晶断裂 穿晶断裂可分： 脆性断裂——穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑性变形

延性断裂——穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形

1、断口的处理

（1）在干燥大气中断裂的新鲜断口 防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；

（2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。（3）在潮湿大气中锈蚀的断口。

（4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。

腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。

2、断口分析的任务

（l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。

（2）确定断口的宏观形貌。纤维状断口/结晶状断口；有无放射线花样及有无剪切唇等；（3）查找裂纹源区的位置及数量。裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存在多个裂草源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等；

（4）确定断口的形成过程。裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如何等；

（5）确定断裂的微观机制。解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；（6）确定断口表面产物的性质。断口上有无腐蚀产物或其他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。二）断口的宏观分析方法

断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应力）间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。生产中的产品检验的目的主要是：

1）利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺； 2）用断口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳件的出炉时间；

3）用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确定合理的感应器设计及淬火工艺； 4）用断口法确定高速钢的淬火质量；

5）用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。

1、最初断裂件的判断

分析对象是一个复杂的大型机组或是一组同类零件中的多个发生断裂。（1）整机残骸的失效分析

整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到单个零件，进而对最初断裂件的断口作具体分析。（2）多个同类零件损坏的失效分析

一组同类零件的几个或全部发生损坏时，要判明事故原因需确定哪一个件先坏，这类分析也应采用顺序分析法。在对多个同类零件的损坏情况下，要根据损坏件的变形及损伤的严重程度来确定最初破断件。

（3）同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析

在同一个零件上，在其几何结构及受力情况完全相同的几个部位均出现损坏的情况。必须首先搞清楚是哪个部位首先损坏。

2、主断面（主裂纹）的宏观判断

最初断裂件找到后，紧接着的任务就是确定该断裂件的主断面或主裂纹。所谓主断面就是最先开裂的断裂面。主断面上的变形程度、形貌特点，特别是断裂源区的分析，是整个断裂事故分析中最重要的环节。1）利用碎片拼凑法确定主断面

2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹 3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹

碎片拼凑法确定主断面 “T”型汇合法确定主断面或主裂纹 裂纹的河流花样确定主裂纹

3、断裂（裂纹）源区的宏观判断

主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的基础。

1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区

2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区 3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区

4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区

5）将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源 6）根据断口上的色彩程度确定裂纹源区 氧化色

4、宏观断口的表观现象与致断原因初判 1）断裂源区和零件几何结构间的关系

断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。

对于塑性材料的光滑试件（零件），在单向拉伸状态下，断裂源在截面的中心部位属于正常情况。为防止零件出现此种断裂，应提高材料的强度水平或加大零件的几何尺寸。

表面硬化件发生断裂时，断裂源可能发生在次表层，为防止此类零件的断裂，应加大硬化层的深度或提高零件的心部硬度。

除上述两种情况外，断裂源区一般发生在零件的表面。零件的尖角、凸台、缺口、刮伤及较深的加工刀痕等应力集中处。为防止此类破坏显然应从减小应力集中方面入手。2）断裂源区与零件最大应力截面位置的关系

断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。如果不一致则表明零件的几何结构存在某种缺陷或工作载荷发生了变化，但更为常见的情况是材料的组织状态不正常（如材料的各向异性现象严重）或存在着较严重的缺陷（如铸造缺陷、焊接裂纹、锻造折迭）等情况。

例如，承受单向扭转工作载荷的轴件，其断口的宏观形貌，按其与最大应力之关系可能有以下几种情况：

（a）断口表面与最大正应力所在平面相对应，即断口与轴线呈45螺旋状。此种类型的断裂为宏观脆性断裂，通常是由材料的脆性过大或韧塑性不足引起的。通过改变零件的热处理工艺，适当提高回火温度则有助于减少零件的此类断裂。

（b）断口的表面与最大切应力所在平面相对应，即断口平面与轴线垂直或平行。此种类型的断裂为宏观韧性的断裂，通常是由材料的强度或硬度不足引起的。适当降低零件的回火温度，则有助于零件使用性能的改善。

上述两种情况均表示材料的组织均匀性未出现太大问题。在此种情况下，如果调整热处理工艺难以避免上述两种断裂，则应提高材料的强韧性级别或者适当加大零件的几何尺寸。

（c）断口表面与轴线的夹角远小于45，即断口表面既不和最大正应力所在平面相对应也不和最大切应力所在平面相对应。换句话说，该断裂面是在较小的应力条件下形成的。由此可以推知，材料的各向异性现象比较严重，横向性能比较差。通常是由材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。

3）断裂是从一个部位产生的还是从几个部位产生的，是从局部部位产生的还是从很大范围内产生的。

通常的情况是，应力数值较小或应力状态较柔时易从一处产生，应力数值较大或应力状态较硬时易从多处产生；由材料中的缺陷及局部应力集中引起的断裂，裂纹多从局部产生；存在大尺寸的几何结构缺陷引起的应力集中时，裂纹易从大范围内产生。

承受旋转弯曲的轴件可能产生以下几种类型的断裂：

（a）裂纹源于表面一处或两处（基本对称，但稍有偏转）这是最为常见的断裂形式。其产生原因是由于表面拉应力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在无明显缺陷存在的情况下，正常的断裂（由材料性质及轴件的几何尺寸和载荷性质来决定）也呈此种断裂形式；

（b）裂纹源于次表面某处。次表面的拉应力小于表面，其所以成为起裂点，必然存在有较大的缺陷；

（c）裂纹源于整个表面向内扩展导致的断裂。其断裂原因一般是由于轴件存在有变截面且其应力集中现象严重所致，如此处为直角过渡的情况。4）断口表面的粗糙度

断口表面的粗糙度在很大程度上可以反映断裂的微观机制并有助于断裂性质及致断原因的判断。

如粗糙的纤维状多为微孔聚集型的断裂机制，且孔坑粗大，塑变现象严重；瓷状断口多为准解理或脆性的微孔断裂，塑变现象极小，孔坑小、浅、数量极多；粗、细晶粒状为沿晶断裂；镜面反光现象明显的结晶状断口为解理断裂；表面较平整多为穿晶断裂，凹凸不平多为沿晶断裂等。5）断口的边缘情况

观察断口的边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和宏观塑性变形等，将有助于分析裂纹源区的位置、裂纹扩展方向及断裂的性质等问题。因为随着裂纹的扩展，零件的有效面积不断减小，使实际载荷不断增加。对于塑性材料来说，随着裂纹的扩展，裂纹两侧的塑性变形不断加大，依此即可确定裂纹的扩展方向。例如，一裂纹顺着一排铆钉孔扩展，最先扩展的裂纹孔基本不变形是圆形的，而后的裂纹孔将依次加大变形成为非圆形的孔，裂纹的扩展方向则是由圆孔指向非圆孔。在断口的表面没有其它特殊花样存在的情况下，利用断口边缘的情况往往是判断裂纹源区及裂纹扩展方向的唯一的和可靠的方法。6）断口上的冶金缺陷

注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、缩孔等缺陷。有时依此可以直接确定断裂原因。

三、宏观断口实例分析

1、铸铁件 1）HT250

2）20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂

3）30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂

30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂

2、铸铝件（ZL105）

思考题：

1、描述HT250合金铸件的的宏观特征，分析其失效原因。

2、描述20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂的宏观特征，分析其失效原因。

3、描述30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂的宏观特征，分析其失效原因。

4、描述汽车叶轮铸铝件（ZL105）的宏观特征，分析其失效原因。

实验三

静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）

通过断口分析，可以判断断裂失效的裂纹起源与裂纹扩张的途径，判断断裂的性质，反反推断裂载荷的类型和大小、材料的性质、大致的环境，推断失效的原因是：设计的原因；材质的原因；工艺的原因和环境的原因等。通过实例来说明断口分析的应用，以体现不同的断裂类型具有不同有形貌特征。

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过断口分析法，让学生了解静载荷作用下的金属材料断裂时韧性断口和脆性断口的特征。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固韧性和脆性材料的应力-应变特点，熟悉相关检测设备的工作原理，通过实验，判断失效零件的宏观和微观特征。

【2】实验内容或原理

拉伸断口形貌观察。三要素；断口宏/微观形貌及其特征；裂源及裂纹扩展方向。通过实际失效件及其断口的宏观分析，掌握最初断裂件的判断、主裂纹（主断面）的判断方法。

一、基本理论

一）断口三要素的内容与特点

光滑园柱形试样的拉伸变形过程：均匀变形——缩颈——断裂（杯锥状断口）三要素：

纤维状区（fibrous zone）;放射状区（radial zone）;剪切唇区（shear lip）纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样；

暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状；

其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区 放射区：具有放射花样特征（脆断特征）

放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向

纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定

扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45°

切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状

二）断口三要素的分布类型

①F、R、S②F、S——160℃光滑园柱拉伸试样断口③R、S——低合金钢在－160℃条件拉伸或冲击断口④S——纯剪切型断口或薄板拉伸断口 三）影响因素

1、试验温度 T ↓，F↓ S↓ R↑

2、试样尺寸 t↑，F↓ S↓ R↑

3、试样形状 四）断口三要素的应用

根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向裂纹源的确定：

①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维区的位置就找到了裂源的位置；②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置；③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。

裂纹扩展方向的确定：①纤维区指向剪切唇②放射条纹的发散方向③板状样呈现人字纹（chevron pattern）其反方向为 源扩展方向 五）断裂过程

裂纹形成

裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）

失稳扩展 裂纹扩展两阶段：

亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展

裂纹总是沿需要消耗扩展功最小的路径，条

件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速；

扩展功小，消耗的能量小；

危害性大，总是脆断

二、材料的拉伸实验

拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本试验。金属的力学性能可用强度极限σb、屈服极限σs、延伸率δ、断面收缩率Ψ和冲击韧度αk五个指标来表示。它是机构设计的主要依据。在机构制造和建筑工程等许多领域，有许多机械零件或建筑构件是处于受拉状态，为了保证构件能够正常工作，必须使材料具有足够的抗泣强度，这就需要测定材料的性能指标是否符台要求，其测定方法就是对材料进行拉伸试验，因此，金属材料的拉伸试验及测得的性能指标，是研究金属材料各种使用条件下，确定其工作可靠性的主要工具之一，是发展新金属材料不可缺少的重要手段，所以拉伸试验是测定材料力学性能的一个基本试验。

1）观察碳钢、铸铁在拉抻过程中的各种现象，绘制拉伸图(P—ΔL图)由此了解试件变形过程中变形随荷载变化规律，以及有关的一些物理现象。2）观察断口，比较低碳锕和铸铁两种材料的拉伸性能。

1、试验设备仪器及量具

2、试件

金属材料拉伸试验常用圆形试件。为了使实验测得数据可以互相比较，试件形状尺寸必须按国家桶准的规定制造成标准试件。如因材料尺寸限制等特殊情况下能做成标

准试件时，应按规定做成比例试件。圆形截面标准试件和比例试件的国标规定。对于板材可制成矩形截面。园形试件标距L。和直径之比，长试件为Lo／do＝10，材料的机械性能指标σs、σb、δ、Ψ是由拉伸破坏实验来确定的，实验时万能材料试验机自动给出载荷与变形关系的拉伸图(P—ΔL图)如图2所示，观察试样和拉伸图可以看到下列变形过程。

1、弹性阶段— OA

2、屈服阶段— BC

3、强化阶段— CD

4、颈缩阶段— DE 由实验可知弹性阶段卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此吁可记录下屈服点Ps。当屈服到一定程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降。至到断裂，这一阶段叫颈缩阶段。

实验中可测得： Ps一屈服荷重。Pb —最大荷重。L1 一断后标距部分长度。A1 一断后最细部分截面积。由此可计算 屈服极限：APSs=δ 强度极限：APbb=δ 延伸率：%1001×−=LLLδ 截面收缩率：%1001×−=AAAψ 其中A、L均为拉伸前试件的截面面积及标距。

3、碳钢的拉伸步骤

1）试件的准备，试件中段取标距L=50mm，在标距两端刻线（或冲眼）做为标志。用游标卡尺在试件标距范围内，测量中间和两端三处直径d0。取最小值作为计算截面面积用。

2）试验机的准备（液压万能试验机构造原理参看附录一）：首先学习试验机操作规程。估计低碳钢σb，计算打断试件所需的最大荷载。根据最大荷载选定试验机测力表盘和锤锤A、B、C、并调节缓冲手柄到相应的位置。按需要放大倍数调节好自动绘图器，装上绘图纸，以备画出P—ΔL曲线。装好试件，调整指针对准零点。

3）检查试车：由教师检查以上准备情况，开动试验机，加少量荷载（勿使超过比例极限）检查试验机，绘图机构工作是否正常。然后卸载（可保留少量荷载），视情况指针调零。

4）进行试验：慢速加载。使试验机指针缓慢均匀的转动。自动绘图装置可绘出试件受力和变形的关系图，如图1。观察测力盘指针转动情况，当指针不动或摆动，倒退时，说明材料发生流动（屈服）测力指针倒退的最小值。即为流动荷载Ps，如图BC段，试验者应记录下此值，以备计算屈服点应力值δs 流动阶段结束，试件可以继续承受更大的外力和发生变形，称为强化阶段如图C至D段。D段所对应的荷载即试件能承担的最大荷载Pb，试验者记录好Pb，值以备计算。当荷载达到Pb之后，试件开始颈缩，测力指针开始回转，表明试件承载能力减少，到E点断裂。

5）试验结束关闭试验机，取下试件和图纸，打开试验机回油阀，使试验机回到原位。6）测量试件：将断裂试件紧对在一起，测量端口处直径d1,在断口两个互相垂直方1/3处区段内。可直接量取；若不在此区，按国家标准采用断口移中办法，计算L1的长度。

4、铸铁拉伸试验步骤

1）试件的准备：测量试件中间和两端之处直径d，取最小值计算截面积。

2）试验机准备：估计铸铁σb值，估算拉断试件最大荷载。试验机调整与低碳钢拉伸试验相同。

3）检查及试车：与碳钢拉伸试验相同。

4）进行试验：开动好试验机。用慢速加载直到试件断裂，记录最大荷载Pb值。观察自动绘图器上的曲线。

5）试验结束：关闭试验机，取下试件，使试验机回原位。6）测量试件：测量断裂后试件的直径和长度。7）计算铸铁拉伸强度极限：

5、结束工作

1）清理并复原试验机、工具和现场。

2）描下拉伸曲线，按要求填写试验报告，整理数据，写出结论。

6、思考题：

1）碳钢拉伸图大致可分几个阶段?每个阶段力和变形有什么关系? 2）碳钢和铸铁两种材料断口有什么不同?它们的力学性能有何不同?(比较强度和塑性)

2.材料失效分析案例分析 篇二

材料失效分析是根据材料学专业教学计划与课程体系改革的要求而设置的专业选修课程,其教学目的是让学生掌握正确的失效分析内容,解决零件失效、提高机器承载能力和使用寿命的先导及基础环节。通过本课程学习,使学生对机械零件失效的概念及意义有更深刻的了解,并通过所学相关课程,能够结合今后实际工作情况,对机械零件失效出现的问题及事故原因有基本的判断和积极预防的能力。但目前教学过程中存在一些问题。

1 教学模式落后,教学方法陈旧,学生学习兴趣不足

当前的选修课教学依然是以教师讲解为主,课堂内容按照教师的备课内容讲得面面俱到,这样做的结果使学生觉得枯燥乏味,激发不了其参与热情。调查结果表明,学生对这样的教学模式基本是感到反感,对这种教学方法也基本觉得是浪费时间,学生觉得这种“讲法”太枯燥,昏昏欲睡。可见,这种传统教学模式对培养学生的兴趣是不利的,教学现状亟待解决。

2 教学内容死板,不利于学生能力的培养

大部分教师将主要精力投入到基础课、必修课和科研工作中,很少有时间去查找更多、更新的资料来补充选修课教材;往往使用传统的课本内容或是以往的备课材料,内容比较陈旧,对学生没有吸引力,也无法调动学生积极去参与。大多数学生觉得选修课应用不到实际生活中对所学的专业没有多大影响与帮助,只要学好专业课就够用,更有甚者为了应付学分才选选修课,因而使选修课基本成了摆设。

针对以上存在问题,结合金属材料学和机械设计及制造专业特点,全方面拓展学生素质,开拓学生的视野,增加学生相关专业领域知识,让学生在选课的过程中根据自身的实际情况和自己的兴趣爱好特点选择相应的自己感兴趣和对自己有用的课程,提出以下改进建议。

2.1 教学模式和教学方法的改进

要采取综合型的教学结构模式,充分发挥教师的主导作用的同时,更要注重调动学生的积极性,让学生参与进来,使课堂气氛活跃起来,让他们积极思考,引发他们的学习兴趣,引导学生思考、探索教学案例,指导学生交流探讨,教会学生思考。教师在教学过程中要注重站在学生的立场去思考他们要的是什么,想学的是什么,对这一课程的哪方面更感兴趣,不按部就班地进行授课,才能收到良好的教学效果,提高课堂质量。“水无常态,教无定法”。可以采取讨论的方式,让学生参与到教学中来,让学生感觉到他们是课堂上的主体,教师在中间主要起到引导的作用。如在讲述腐蚀失效这一章节时,采用的就是任务分摊法。在讲述完基本知识点后,给学生布置探究性的学习任务,鼓励学生查阅资料,对知识体系进行整理,再选出代表进行讲解,最后由教师进行总结。但应注意的是,不管采用何种方法,都应明确教学方法是以师生共同合作为前提,教学方法要适应于教学目的和教学任务的要求。尤其在教学方法上,要积极使用多媒体教学,多找寻和课程有关的案例结合讲解。多媒体教学不仅能够给学生视觉方面的切实感受,也能够提供给学生更多、更好的内容,扩大课堂信息量,有效利用课堂教学时间,增强学生的感性认识和兴趣,保证专业选修课的教学质量。但多媒体的制作要“少而精”,不冗长更不是念给学生听。善用工程实例,增加学生兴趣。工程实例对学生来说是感兴趣的,因为可以看到实物,而不是只是老师在在课堂上的理论教育,可以激发学生的学习兴趣,使学生的学习由被动的听转为主动的思考。恰当的工程实例对课堂效果可以起到事半功倍的作用。由于在授课的大部分时间里,教师是以讲授各学科的知识为中心,易使学生形成只知其一不知其二的感觉,无法联想,形成断片知识,学生难以解决工程中的实际问题。而工程实例展示的是工程现场所遇见的实际问题,往往能激发学生的兴趣,他们会关心在现场是如何处理的、这样处理的合理性和不足是什么、处理后的效果怎样等。通过这一系列疑问的探讨和解决,学生在课堂上就能体验从理论到实践的转化,从而培养出学生独立思考、解决问题的能力。

2.2 理论与实际相结合,加强实际操作性

在理工科的专业中,实践是必不可少的,当教师在平时课程中对一些材料的失效分析的案例讲解后,要相应的安排一定的课时去亲身体验,才能让学生明白选修课是对知识面的拓展及专业知识的提升。就材料失效分析这门课而言,失效分析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。

(1)教学目标。

为了防止失效现象的重复发生,提高机械产品质量,早在20世纪初,人们就开始对零构件的失效现象进行比较系统的分析研究,后来随着工程力学、材料科学及交叉学科的发展和电子光学仪器测试技术的进步,在对大量工程失效现象的行为规律与机理研究的基础上,逐渐形成了一门新的分支学科,即失效学,也称为失效分析。失效学是研究机械装备的失效诊断、失效预测和失效预防的理论、技术和方法及其工程应用的一门学科。引起失效的因素是复杂的,大致可归纳为两个方面,即材料方面的因素和环境方面的因素。前者为内因,包括材料品质及加工工艺方面的各种因素;后者为外因,包括受载条件、时间、温度及环境介质等因素。任何产品的失效都是在材料或零件的强度(韧性)与应力因素和环境条件不相适应的条件下发生的。失效总是从产品对服役条件最不适应的环节开始的,而且失效产品或零件的残骸上必然会保留有失效过程的信息。通过对失效残骸的研究,可查明失效的机理和过程,并对失效的原因作出判断,从而可有针对性地采取改进和预防措施,避免同类失效的再发生,达到改进产品质量、延长使用寿命、提高服役安全性和可靠性的目的。正是通过失效分析,揭示了失效的本质,找到了失效的原因,提出防止措施和改进办法。

(2)教学任务分解。

课堂教学实施分解步骤见图1。

从图1的课程内容分解中可以看出,教师讲授的课堂内容减少至40%比例,教师在教学课程中只讲授材料失效分析的发展历程、基本思路和方法等。但这不意味着教师工作量的减少,教师在案例收集过程中,需要考察很多企业和厂矿,去收集一些与机械零件失效的相关的素材,这些工作量远远不止课堂60%的学时数。因而在这一环节中,教师首先要做到充分利用个人业余时间,准备素材。失效分析是很涉及行业很全面的一个课程,收集素材要充分考虑各种失效的情况,例如腐蚀、磨损、低应力断裂等。

(3)学生课堂外作业提纲。

在课堂内容讲授完成后,同学们需要自己进行课题内容的分解作业。为了避免同学们盲目的进行工作,课题内容详细分解步骤见图2。

失效分析是一门内容很广,涉及行业很多的科学技术。教师备课的时候去相关行业例如电厂、矿山等企业搜索机械零件失效分析的案例,将试验材料整理分类,然后根据疲劳失效、应力腐蚀失效、磨损失效的不同失效形式分类,在课上对学生进行合理化分组,布置同学在课后查阅资料,实施实验。在课上对所作实验进行系统讲解和分析,让同学们在有限的时间内通过实际案例结合自己查阅的资料及实验制定解决与预防失效的方法,例如,通过对电厂锅炉管断裂失效的案例分析,学生需要制定详细的试验规划,首先需要对材料的相关信息进行大量的资料收集,对材料使用环境进行分析,然后对失效材料的断口进行金相和扫描电镜分析,最后对材料的成份及性能进行测试。经过一系列的失效分析方法的运用,使同学充分运用学习的专业知识,进一步提升学生的动手能力和综合解决问题的能力。最后每个组的课题负责人在课堂上给大家讲授自己的分析方法和分析过程,共同扩展、提高,完善知识结构。

随着社会和时代的不断进步、教学改革的深入以及对人才素质要求的提高,复合型、创新型人才已逐渐成为时代的宠儿。而专业选修课中,应用实践教学更有利于增加学生的知识面和激发学生的学习积极性、创造性。经过这几年在《材料失效分析》课程上应用新的选修课程教学模式,有了以下实践经验与体会:

(1)更新后的教学内容,减少了教师死板的讲授环节,增加教师现场数据和试样的采集,不仅提高教师对企业、厂矿相关材料和机械零件应用环境的认识,还使教师进一步体验现场生产,获得更多的行业经验和背景,能够将这些经验更好的应用的学生的课堂教学和教师的科研工作上,从而提高教学质量。

(2)在应用新的教学模式后,学生对课程满意度大大提高。学生的满意不光体现在学习兴趣上,还体现在学生对知识的渴求和对解决问题的探讨上。学生充分利用课外时间,大量阅读相关行业资料,同时学习到大量的材料测试分析和检验技术,从理论到实践的转化更加丰富,为日后工作打下良好的基础。

(3)分组讨论提高了同学们的团队配合意识。在接受任务后,每组的负责人将任务分工,大家一起讨论课题进行的步骤和日程,而且在课题完成时要安排同学进行全班的总结,分享课题中的知识和体会。这样的安排不仅增加同学的友谊,也提高学生团队配合意识。

摘要：材料失效分析是一门综合性的实用技术指导课程,该文结合研究者多年的授课经验,将“材料失效分析”课程进行了教学优化。根据材料失效分析课程的特殊性,减少讲授部分内容,对失效类型进行分类,分别准备失效零件的样品及素材;将学生分组并授予失效零件分折的课题任务。让学生充分发挥自己的主观能动性,结合所学知识进行资料的查询收集、分析问题、制定解决方案,进行失效零件样品组织和性能的相关测试,最终得出失效原因;并回到课堂和同学分享学习过程。经过优化的教学模式,不仅能激发学生的学习兴趣和培养学生综合应用所学专业知识的能力,而且让学生的课外时间能够得到充分利用,切实提高学生对专业课程的综合应用能力及学习兴趣。

关键词：专业选修课,失效分析,工程实践,教学质量

参考文献

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[7]钟立群,黄耕.“项目引领型”课程教学评价体系的建立[J],教育教学论,2009(12):16-18.

3.材料失效分析案例分析 篇三

关键词：电梯；安全钳；受力分析；失效

引言

电梯是指动力驱动，利用沿刚性导轨运行的箱体或者沿固定线路运行的梯级（踏步），进行升降或者平行运送人、货物的机电设备，它是我们生活中最常见机械设备之一，与我们的日常生活息息相关。电梯属于特种设备，具有一定的危险性，出现故障时会对人们的生命财产安全造成威胁。根据国家质量监督检疫总局统计，截至2013年底，我国在用电梯数量为917313台，在八大类特种设备的安全事故起数以及事故造成的人员伤亡数量的分类排行中，电梯的安全事故一直排在前三名。目前电梯的安全问题日益突出，已成为广受社会关注的民生问题，电梯的安全运行对维护居民生命财产安全具有极其重大的意义。

1.电梯安全钳

电梯的安全钳与限速器一起组成了电梯的超速保护装置，在电梯的整机结构中隶属于电梯的安全保护装置。安全钳装置包括安全钳本体、安全钳提拉联动机构和电气安全触点。安全钳安装在电梯轿厢上，当轿厢运行速度达到限定值时，限速器发出电信号并产生机械动作，并触发安全钳动作。安全钳钳块夹紧导轨，考摩擦力迫使轿厢或对重装置停止在导轨上，同时切断电梯和动力电源。安全钳与限速器组成的联动装置，可以在电梯运行中无论何种原因发生轿厢超速、坠落的危险情况时，使轿厢停住而保护乘客和设备不受伤害。可想而知，如果失去了安全钳的保护，电梯一旦失控将会发生多么严重的后果。

TSG_T7001-2009电梯监督检验与定期检验规则对电梯安全钳做了如下规定：①安全钳上应当设有铭牌，标明制造单位名称、型号、规格参数和型式试验机构标识，铭牌、型式试验合格证、调试证书内容与实物应当相符；②轿厢上应当装设一个在轿厢安全钳动作以前或同时动作的电气安全装置。另外，对安全钳检验时的试验也做了相应的要求：①施工监督检验：轿厢装有下述载荷，以检修速度下行，进行限速器-安全钳联动试验，限速器、安全钳动作应当可靠（以电梯上使用最广泛的渐进式安全钳为例）：轿厢装载1.25倍额定载荷，对于轿厢面积超出规定的载货电梯，取1.25倍额定载重量与轿厢实际面积按规定所对应的额定载重量两者中的较大值作为试验载荷；②定期检验：轿厢空载，以检修速度下行，进行限速器-安全钳联动试验，限速器、安全钳动作应当可靠。

由检规对电梯安全钳的规定可知，安全钳不仅要有可靠的质量保证，在检验时还需进行1.25倍的额定载荷试验，这就对安全钳的力学性能提出了更高的要求。

2.安全钳受力分析

电梯安全钳的动作是由限速器触发的，在电梯超速或坠落时，限速器拉杆被提起，使安全钳锲块或滚珠等产生上升或水平移动，同时使曳引机和制动器断电，使轿厢减速并被安全钳制停在导轨上。在这个过程中，安全钳主要受到来自轿厢的压力F1、轿厢与安全钳的摩擦力F2、钳块与导轨之间的摩擦力F3、导轨的反作用力F4，安全钳的自重与弹簧对钳块的力与上述四个力相比很小，可以忽略不计。

安全钳在电梯正常运行过程中是不受力的（重力等忽略不计），可是一旦动作时将会瞬间受到极大的冲击力和摩擦力，这与其工作特点密不可分。电梯额定载荷多为800kg或1000kg，在加上轿厢的重量和对重的重量，安全钳在动作时夹紧轨道产生的摩擦力需要克服上述重力，因此其承受的压力会非常大。为保证电梯失控时的制动距离，安全钳从动作到制动停止间的时间非常短，因此，安全钳需要在短时间从不受力到承受非常大的作用力，这是一种比较恶劣的受力状态。工作在如此恶劣受力状态下的安全钳，必然会有更高的失效风险，因此需要重点检验。

3.安全钳失效分析

安全钳是电梯监督检验和定期检验中的A类项目，需要对其进行重点检验。由上文分析可知。电梯安全钳的受力状态比较恶劣，作用时受到的都是来自紧急制动时强大的冲击力与摩擦力。在实际使用中，安全钳出现故障的情况较多，引起的事故也不在少数，严重威胁着电梯的正常运营。因此，在检验电梯时，需要重点关注安全钳的状况，了解其失效模式和特点，掌握检验安全钳存在隐患的方法。

根据多年的实际检验经验，安全钳的失效模式主要有：一、钳块承载能力不足，由于长期的摩擦，导致钳块本身的承载能力降低，不能对承受轿厢的重力，造成制动距离过程甚至制动失效。二、导轨直线度或扭曲度过大，会使导轨与安全钳之间不能良好接触，降低制动能力。三、安全钳拉杆失效，不能响应限速器的指令，导致电梯失控时安全钳不动作。

参考文献：

[1]电梯监督检验和定期检验规则――曳引与强制驱动电梯（TSG T7001-2009）[S]

[2]林永光.电梯安全钳动作原因分析及检验注意点[J].机电技术，2009（1）

4.失效分析方法与步骤 篇四

2.失效零件的初步检查(肉眼检查及记录)

3.无损检测

4.机械性能检测

5.所有试样的选择、鉴定、保存以及清洗

6.宏观检验和分析(断裂表面、二次裂纹以及其他的表面现象)

7.微观检验和分析

8.金相剖面的选择和准备

9.金相剖面的检验和分析

10.失效机理的判定

11.化学分析(大面积、局部、表面腐蚀产物、沉积物或涂层以及微量样品的分析)

12.断裂机理的分析

13.模拟试验(特殊试验)

14.分析全部事实，提出结论，书写报告(包括建议在内)

以上是失效分析的全部过程，当然具体到某个失效零件，不一定都要这些过程，要根据失效零件的复杂程度，具体分析，

失效分析报告的主要部分

1.对坏零件的说明

2.破坏时的工作条件

3.以前的工作历史

4.零件的制造和加工工艺

5.失效的力学和冶金研究

6.质量的冶金评价

7.失效机理的总结

8.预防类似事故的措施

失效分析时要回答的问题

断裂的先后次序确定了吗?

如果失效涉及开裂或断裂，那么起点确定了吗?

裂纹起源于表面还是表面以下?

开裂是否于应力集中源有关?

出现的裂纹有多长?载荷有多大?

加载类型：静态、循环或间断?

断裂机理是什么?

断裂时的大概工作温度是多少?

是温度造成的吗?是磨损造成的?是腐蚀组成的吗?是那种类型的腐蚀?

使用了合适的材料吗?材料质量符合标准吗?

材料的机械性能符合标准吗?坏零件是否经过适当的热处理?坏零件是否制造正确?零件的安装正确吗?零件在使用过程中经过修理吗?修理是否正确?

零件是否经过适当的跑合?能修改零件设计以防止类似的事故吗?

目前正在使用的同样零件也可能出现事故吗?如何才能防止呢?

5.锯链传动片疲劳试验失效分析 篇五

锯链传动片疲劳试验失效分析

国产锯链在高速空载疲劳试验时出现早期损坏,其寿命比同型号的OREGON锯链短很多.通过化学成分、金相组织、表面硬度及零件制造精度的检测对比分析,认为这是由于国产锯链传动片、连接片和切齿片的制造精度不高,实际孔距尺寸偏大,使得锯链节距大于链轮分度圆节距.这时锯链与链轮的相互位置关系就无法保证,锯链与链轮的`啮合状况变坏,传动过程中将产生冲击、滑移窜动、爬高、张力波动等现象,使锯链的负荷成倍增加,尤其是传动片清理齿齿尖部位承受长期反复的冲击载荷,从而导致早期疲劳断裂.提高零件制造精度后,锯链与链轮的啮合状况正常,高速空载疲劳试验寿命达到要求.

作 者：潘一凡 Pan Yifan 作者单位：南京林业大学,南京,210037刊 名：森林工程英文刊名：FOREST ENGINEERING年，卷(期)：25(2)分类号：S776.31关键词：锯链 链轮 节距 冲击 疲劳断裂

6.冲压模具的失效形式分析与思考 篇六

关键词：冲压模具；失效形式；分析；措施

前言

随着我国现代工业技术的不断发展，冲压模具在工业生产中起到了越来越广泛的应用。冲压模具质量的好坏直接决定了所冲产品质量的优劣。然而，冲压模具在使用过程中，常常出现各种形式的失效情况，应对这些失效，往往需要耗费一定的时间、人力、物力以及财力资源，严重影响到了工业生产的进度，不利于企业经济效益的提高。因此，如何有效地预防冲压模具的失效，最大限度的提高其使用寿命，是很多企业共同面临的一个技术难题。只有对冲压模具的失效形式做出正确分析，归属其失效类型，才能精准地找出其失效的原因，采取相应的技术措施对其修复或预防，延长其使用寿命。

冲压模具失效形式概述

2.1 冲压模具失效的涵义

冲压模具在使用过程中，因各种原因如结构形状、尺寸的变化以及零部件组织与性能的变化等，使得冲压模具冲不出合格的冲压件，同时也无法再修复的情形就叫做冲压模具的失效。鉴定模具是否失效的判据有三种：一是模具已经完全丧失工作能力；二是模具虽然可以工作，但无法完成设定的功能；三是模具因结构受到严重损害，使用时存在安全隐患。

2.2 冲压模具失效的形式

冲压模具在使用过程中，因模具本身类型、结构、材料的不同以及实际工作条件的不同，会表现出不同的失效形式，主要可分为以下四种。

（1）磨损失效。冲压模具在正常工作过程中，往往会与加工的成形坯料直接接触，二者之间因相对运动而产生摩擦，造成冲压模具表面磨损。当磨损程度达到一定限度时，模具表面失去原来的状态，使之无法冲出合格的冲压件，这就是磨损失效。磨损在任何机械的使用过程中是不可避免的，因此是一种正常的失效形式，也是冲压模具失效形式中最为主要的一种。根据磨损机理，可将磨损失效细分为四种：①磨粒磨损失效。当坯料与模具接触的表面间存在硬质颗粒，亦或坯料加工前未打磨完全，其表面存在坚硬的突出物时，会摩擦并刮划模具的表面，严重时就会使模具表面材料脱落，造成磨粒磨损失效。②黏着磨损失效。冲压模具作用于坯料时，彼此之间存在相互作用力，有时黏着部分会因受力不均而发生断裂，造成模具表面物质脱落或转移，这种失效形式就是黏着磨损失效。③疲劳磨损失效。模具的有些部位经过长时间的使用，在与坯料摩擦力的循环作用下，难免会产生一些细小的裂纹，随着使用时间的推移，细纹逐渐加深，加深到一定尺度时，造成模具表面物质发生脱落，甚至模具因承载力不足而断裂。④腐蚀磨损失效。冲压模具在使用过程中，模具表面物质很容易与周围介质（如空气、水等）发生化学腐蚀或电化学腐蚀，加上摩擦力的作用，时间久了，就会造成模具表面物质侵蚀变质，发生脱落。

实际上，磨具与坯料作用时，磨具表面受到的磨损是极其复杂并且难以预测的，不可能仅仅只受某种磨损方式的影响，因此，实际生产加工中反映出来的磨损失效形式可能是多种形式相互作用的结果。

（2）断裂失效。所谓的断裂失效是指冲压模具因产生较大裂纹或者断裂为两部分（数部分）。断裂可分为两种：早期断裂（一次性断裂）以及疲劳断裂。早期断裂指的是冲压模具表面受到冲击载荷的压力过大，超出其负荷能力，造成迅速断裂。相反，造成疲劳断裂的应力通常较低，在模具的承受范围之内，但由于这种应力的频繁作用，细小裂纹开始逐渐扩展，最后引发断裂。

（3）变形失效。冲压模具在工作过程当中，若是零件所受到的应力超出其弯曲极限，就会发生塑性变形。当塑性形变形达到一定程度时，会造成模具内零件的尺寸和形状发生显著变化，模具无法再正常使用，也就是变形失效。变形失效的外表现为弯曲、塌陷、镦粗等。

（4）啃伤失效。冲压模具因一些客观原因致使其凸、凹模互相啃刃，造成冲压模具崩裂。

3失效原因及措施

冲压模具失效后，应及时对其进行检查分析，找准失效的原因，并对症下药，采取相应的解决措施，延长冲压模具的使用寿命，提高其经济效益。以下分析了造成以上几种失效形式的主要原因，并针对每种失效形式提出了相应的改善措施。

3.1 磨损失效的原因及措施

造成冲压模具因过度磨损而失效的原因很多，归结起来可以从三方面来考虑：一是冲压模具本身的原因，如模具自身的耐磨性能不好；其工作零件的硬度太低；模架的精度偏低等。二是被冲材料的原因，包括坯料硬度太大，对模具表面产生过的摩擦力；被冲材料表面发生氧化作用，造成摩擦力增大等。三是其他因素的影响。如所添加润滑剂润滑效果不好等。

针对以上原因造成的磨损失效，可以从以下几个方面加以改善：

（1）选择合适的模具材料。模具材料的选择会因模具用途的不同、生产冲压件的数量不同而有所差异。表1给出的是不同用途的模具对材料的选择。

表1 不同用途的模具对材料的选择

模具用途 生产量 使用模具材料

生产低薄板以及有色金属 小批量 t10a或t8a等较为低廉的碳素工具钢

生产厚度≤2nm的钢材 小批量 9gcr15、9mn2v、9sicr等合金工具钢

生产厚度≥2nm的钢材 大批量 gr12mov、gr12工具钢以及集体钢、高速钢、钢结硬质合金等

（2）对冲压模具表面进行强化处理。可以在加热淬火以前，向模具表面进行渗杂处理，包括渗硼、渗碳、渗硫、渗氮或碳氮共渗，或在淬火后采用离子渗氮或者气体软氮化的技术对磨具表面进行改性处理，以此来提高冲压模具刃口的各种性能，比如耐热性、耐磨性、抗腐蚀性等。通过对冲压模具表面进行化学或物理气相沉淀、电火花强化以及激光强化等工艺技术处理，可以大大提高模具表面的硬度，获得更好的耐磨性质及抗腐蚀、抗粘黏性质，从而很大程度地改善磨具的整体性能，极大地提高模具的使用寿命。

除以上措施外，还应该对模具表面适时进行润滑处理，减小模具与被冲器件的摩擦；时刻关注生产中容易发热的部位，并采取必要的冷却措施；生产加工前，应认真检查坯料的状态，对表面不良的坯料应进行及时清理或其他预先处理；调整模具凸凹模的合理间隙。

3.2 断裂失效的原因及措施

造成断裂失效的原因主要有两种：一种是过载断裂，另一种是扩展断裂。

当凸凹模同轴度相差较大，间隙分布不均匀，模架精度偏低时，会造成凸模在冲压过程中因受到过大的侧向力而发生断裂；凸模表面各个截面的过渡部位圆角过于尖锐，产生高于平均应力十倍之上的集中应力，造成模具承载后发生断裂。对于这种因过载而产生的断裂失效，可采取以下措施加以解决：

（1）改进设计结构。对于冲孔直径在2.5mm以下，断面积在52mm2，长度在12.5mm以上的异型孔凸模，应对杆部进行适当加粗处理，可用导向圈等工具进行加固，加大圆角半径，确保凸模各部位的过渡平滑，同时可采用其他结构如镶拼或预应力结构来减少模具应力集中的情况。

（2）在冲压模具设计过程中，应对模具强度进行校核，然后选择高一级强度的模具材料，确保模具具有足够的承载力；对热处理件要进行抽样检查，确保其强度，韧性符合标准。

冲压模具在生产工作中，造成模具扩展断裂的裂纹有很多种，包括淬火裂纹、回火裂纹、磨削裂纹、自发裂纹、脱碳裂纹、电加工裂纹等。针对不同的裂纹有不同的预防措施。

对于淬火裂纹的预防，主要是要对零件的形状进行合理设计。要将壁厚设计得尽可能相等，壁厚相差较远的两部分不能设计成一体，采用镶拼结构时应确保各模块强度尽量一致；转角部分圆角应该有较大的半径，杜绝尖角的情况；对于热处理工艺，应根据制件的实际情况包括其形状、大小以及材质等，选择适宜的工艺。

对于回火裂纹的预防，应做到零件在加热至300℃以前，采取缓慢加热的方式进行，不能加热过急，否则会因热应力过大而造成开裂；回火时也不能急剧冷却，应进行空冷处理，因为急冷会产生马氏体相变应力，造成开裂。

对于自发裂纹的预防，采用的措施是：淬火后马上进行回火，若是在常温下放置时间过长，零件会因受到相变应力而造成开裂。通常淬火到回火的间隔时间不能超过3小时，如果因某些原因不能马上回火，可以先置于100℃介质中进行保温处理，以此来延长间隔时间。

对于磨削裂纹的预防，若是淬火零件较多，磨削量较大，可以先进行低温回火（150℃）或中温回火（300℃）；砂轮整修时，应确保砂轮足够锋利并且粒度合适，以此来降低磨削热，减小磨削烧伤。

对于脱碳开裂的预防，可采取的措施是用真空加热或保护气加热的方法控制加热温度，防止工件因受热温度过高而发生开裂。

对于电火花加工裂纹的预防，应在加工过程中，尽量采用较小的电规准，防止电火花产生的瞬时高温在淬火件表面产生裂纹；加工后应对变质表面层进行抛光操作。

3.3 变形失效的原因及措施

造成模具变形失效的原因主要是模具表面的负荷过大。对于这种失效形式，可以从材料选择或强化处理等方面提高受力部位的强度。

3.4 啃伤失效的原因及措施

造成啃伤失效的原因主要有装配质量不过关、安装不当、压力机的导向精度不高、送料出现误差等。对啃伤失效可用高导向精度装置的模具进行生产加工，确保零件位置的精度，减小侧向力，避免凹凸模相互啃伤。

4结语

7.从失效案例分析轴承的早期失效 篇七

关键词：轴承,早期失效,影响因素,预防措施

在机电工业中,轴承是应用最为广泛的基础件之一[1]。无论是普通的机械设备、运输工具还是航空、航海、航天等领域。显然,确保轴承在各种环境条件下都能正常工作,是十分重要的。轴承是机械设计中最重要部件之一[2]。广泛的使用使得更轻便、更耐用的轴承目前仍需要引进。而轴承的设计十分复杂,包括制造、保养和维修[3]。轴承在工作中丧失其规定功能,从而导致故障或不能正常工作的现象称为失效。轴承的失效按其寿命可分为正常失效和早期失效两种。轴承的失效分析是提高轴承可靠性系统工程中的重要环节,它的积极意义在于:(1)可以分析出轴承失效的主要原因,总结经验教训,提出改进措施,不断提高轴承产品质量;(2)可以判断设计是否合理,纠正某些不尽合理的方面以提高轴承产品的可靠性;(3)可以发现轴承零件在冷、热加工中存在的问题,纠正不合理的加工工艺;(4)可以判断材料选择的合理性及原材料质量存在的问题[4]。

本工作通过对几起轴承失效案例的分析,从内因和外因两方面对轴承的影响进行了探讨,并提出了预防轴承早期失效的实用措施以及对失效的监测。

1 案例分析

1.1 支点轴承裂纹

发动机工厂试车中发现振动偏大,拆机检验,发现三支点轴承内滚道上有裂纹及掉块。

轴承内圈材料为Cr4Mo4V钢,内圈滚道采用粗磨、细磨、精磨及研磨磨制。粗磨后进行400℃回火,精磨后进行250℃回火,并进行磁粉检测,探伤后研磨内圈滚道。硬度HRC要求为60~64。

轴承内圈由两个轴承半件组成,裂纹集中在主要承力的轴承半件周向15mm弧长内。主要为轴向,也可见一些周向裂纹和掉块,如图1所示。掉块坑底呈“新鲜”的金属光泽,滚道表面未见明显的擦伤痕迹,滚珠和滚道表面未见明显的氧化色。

裂纹断口表面磨损较严重,仍依稀可辨疲劳条带,裂纹起始于滚道表面(图2)。

裂纹区的滚道表面发生了二次淬火,二次淬火层及相邻的高温回火层深度约0.03mm,裂纹主要表现为穿晶扩展,局部可见沿晶扩展,如图3所示。非裂纹区组织正常。

轴承中心区的硬度符合技术要求,但偏上限。裂纹段轴承滚道表面的周向应力和轴向应力均表现为压应力。

失效分析结果表明,轴承裂纹为疲劳裂纹;裂纹最初的形成主要与滚道表面局部的磨削变质层有关。

1.2 燃气发生器后轴承剥落磨损

装配有相同燃气发生器后轴承的同批次三台发动机使用300,495h和403h后,拆卸检查发现轴承滚子分别出现了轻微的划痕、斑点以及剥落。该轴承设计使用寿命为1000h。

轴承的滚子发生剥落的部位均在滚子一侧的端部,只有其中剥落最严重的一个滚子两端和中间均存在剥落痕迹,且在滚子中间均存在一条明显的环向划痕,在较大剥落区可以清晰看到疲劳弧线。轴承外圈一周均存在一些较小的剥落痕迹和一条环向划痕。内圈仅仅存在一定轻微的划痕。损伤较轻轴承的滚子表面未发现剥落痕迹,只是存在轻微的磨痕,外圈未发现剥落痕迹,存在一些磨痕。内圈没发现任何剥落痕迹和明显的划痕。轴承金相组织正常。内、外套圈及滚子的材料硬度均符合技术要求。

将国产新品、进口旧件、剥落轴承内、外圈及滚子进行了检测,进口旧件内圈的圆度误差低于国产新件和故障件,故障件外圈的圆度误差要高于国产新件和进口旧件。

失效分析结果表明,轴承的失效是由滚子工作面的接触疲劳剥落造成的。此次失效与内、外圈的圆度误差以及滚子的倒角等偏差有关。

1.3 某陀螺马达轴承失效

某陀螺在进行例行实验和振动实验过程中,陀螺马达烧毁。该陀螺马达上的两个轴承保持架均开裂,该马达轴承属于微型轴承,轴承的内、外圈和滚珠所用材料均为GCr15轴承钢,保持架为聚酰亚胺材料。

轴承的内、外环滚道和滚珠表面均有不同程度的剥落现象。转子端轴承内环形貌如图4所示,滚珠跑道的区域磨损较严重,在跑道上可见保持架熔化溅射物。转子端轴承的大端面上均有材料中相脱掉而产生的孔坑。

轴承显微组织均为回火马氏体、未熔碳化物和残余奥氏体,轴承碳化物含量较多(图5)。对轴承碳含量检测及硬度检测,碳含量符合要求,但是硬度值偏低。

分析结果表明,轴承未溶碳化物较多影响了轴承的硬度,并在轴承运转过程中,未熔碳化物脱落形成孔坑,使轴承运转不稳。

1.4 主起落架关节轴承内圈开裂

某型飞机使用中主起落架撑杆关节轴承先后4次出现内圈开裂失效。该轴承承受着陆冲击、刹车、滑跑及地面停放载荷。轴承内圈材料9Cr18,轴承外圈材料Cr17Ni2。

对轴承残片的观察表明,除了轴承内圈存在一条裂纹外,未见其他明显损伤,PTFE衬垫完整。图6为轴承断口宏观形貌。裂纹断口平齐,I区和III区的特征基本相同,低倍为纤维状,高倍下为韧窝+碳化物颗粒特征,局部可见沿晶形貌;II区低倍较粗糙,高倍下沿晶特征明显,晶面上可见颗粒状碳化物(图7)。

轴承的组织由回火马氏体、残余奥氏体、块状共晶碳化物和粒状二次碳化物组成。失效轴承共晶碳化物数量相对较多,呈不同程度的链状分布(图8)。点状不变形夹杂物数量多,分布不均匀。

失效轴承各形貌大致相同,经过硬度和成分测试,结果都符合要求。失效分析结果表明,由于较多的共晶碳化物呈带状分布,点状不变形夹杂物数量多,导致轴承材料脆性增大,使用中可能出现的异常冲击载荷共同作用导致轴承开裂。

1.5 某发动机轴承失效

某发动机试车15h后出现喷火及金属末信号器报警现象,停车分解,发现高压压气机叶片、整流叶片及轴承等零件不同程度的损伤。轴承工作方式为轴向止推,径向支撑,保持架材料为硅青铜镀银,滚子和内外滚道均为M50钢。

轴承保持架兜孔上一处位置存在局部断裂现象,裂纹源区位于兜孔与保持架内侧交界的结构一角处,保持架的侧面靠近外圈为红棕色,靠近内圈镀银层多处起泡现象。保持架开裂处兜孔可见较其他兜孔更深的压痕和磨痕形貌。内圈左半环滚道可见严重的磨损形貌,右侧磨损相对较轻。所有滚球外观形貌相似,均为一侧有明显的压痕,与内圈左半环滚道侧边相符合。

保持架裂纹打开,断口放射棱线明显,断口扩展前期较平坦呈灰黑色(图9)。断口可见细密疲劳条带,而瞬断区为韧窝形貌。保持架侧面颜色较深处为熔融形貌和韧窝形貌,该处和源区除了硅青铜基体元素外,还可见M50钢。

轴承外圈、内圈、保持架以及滚球处硬度均低于或处于技术条件要求下限。靠近保持架外侧处有高温烧伤痕迹。

失效分析结果表明,保持架的失效模式为疲劳开裂,轴承整体发生了严重的偏向一侧的磨损,与装配过程有很大的关系,轴承承受了剧烈的高温摩擦。

1.6 发电机轴承失效

某发电机换向器端轴承卡滞。轴承一卡圈变形挤出,密封圈破坏掉出,轴承内干涸。分解轴承可见保持架断裂、变形,滚珠碎裂、黏结,密封圈破损和卡圈变形。在内圈滚道上,坑状剥落,划痕明显。外表面滚道边缘可见坑状挤压损伤,并可见蓝色过热特征(图10)。

保持架断口的整个断面磨损严重,部分滚珠的两端被摩擦成了圆柱形,滚珠上可见剥落坑及碾压痕迹,滚珠破碎断口上可见沿晶脆断特征。

内圈组织为均匀分布的颗粒状碳化物及隐针马氏体。在弧形滚道表面以下约0.4mm范围内的组织主要为过热组织(图11),表明弧形滚道表面经受了较高工作温度。

硬度检测结果表明,内外圈及圆形滚珠的硬度较标准规定的硬度偏低。失效分析结果表明,轴承卡滞的直接原因是滚珠碎断,滚珠碎断与润滑不足有关。

1.7 电动机轴承失效

D80023轴承在进行例行实验的4700个循环后,对电动机构在空载下通电检查,关闭时间超过要求,声音异常,分解检查发现,轴承外圈和紧圈均沿轴向断裂,保持架、防尘圈和钢球脱出,轴承失效。轴承内外圈及滚珠材料为ZGCr15轴承钢,保持架、防尘盖为1Cr18Ni9不锈钢,紧圈为65Mn弹簧钢。

故障轴承外观如图12所示,2件紧圈发生断裂,断裂处掉块长度基本相当,轴承外圈断裂3处,断口处的滚道边缘部位均有球状凹坑,均位于远离镶嵌在外圈内的紧圈一侧。滚珠表面存在撞击凹坑,未见剥落和烧伤等损伤。内防尘圈的变形段长度与轴承外圈、紧圈的断裂段基本相同,变形段变形方向向外,且凹坑痕迹与外圈的断裂段长度也对应。保持架未见断裂情况,整体发生挤压变形。

外圈断裂起源于滚道边缘凸起转角处,源区处为沿晶特征(图13)。未见腐蚀、夹杂和加工缺陷等,两侧的紧圈槽内存在明显的冲击凹坑(图14)。此痕迹系紧圈受到过较大的冲击载荷后在槽内形成的,扩展区为韧窝断裂形貌。其他两个断口与此断口类似。两个紧圈断口特征均为剪切韧窝特征。

金相检查表明,轴承外圈表面存在硬化层,基体组织正常,硬度检测结果符合要求。

失效分析结果表明,轴承外圈是失效的首断件,轴承外圈为过载断裂;较大的冲击载荷是使得轴承外圈发生过载断裂的根本原因。

2 讨论

轴承失效的原因往往是多因素的,所有设计制造以及装配过程的影响因素都会与轴承的失效有关,分析起来不易判断。在一般情况下,大体上可以从内在因素和外来因素两方面考虑和着手分析。

2.1 内在因素

内在因素主要是指设计、制造工艺和材料质量决定轴承质量的三大因素,也可称之为制造质量因素。为了提高轴承的寿命和可靠性,人们围绕着上述三因素,做了大量的研究工作。首先,结构设计不合理就不会有合理的轴承寿命;仅有结构设计的合理性而不考虑先进性也不会有较长轴承寿命;只有结构设计同时具有合理性和先进性,才会有较长的轴承寿命。轴承的制造要经过钢材冶炼、锻造、冲压、热处理、车削、磨削等多种加工工序。各种加工工艺的合理性、先进性和稳定性也都会影响到轴承的寿命和失效分析。尤其是直接影响成品轴承质量的热处理和磨削加工工艺,往往与轴承的失效有着更直接的关系[4,5]。

2.1.1 磨削烧伤

在轴承的机加工过程中容易产生磨削烧伤使表层软化形成二次淬火层,硬而脆,成为滚道表面的薄弱区,较其他位置易萌生表面微裂纹,相应的接触疲劳寿命也会大幅下降。当抗剪强度低于外界最大综合切应力,在反复剪切应力的作用下,从表层产生局部变形而产生裂纹,在进一步的工作中,小裂纹会变成大裂纹,一旦裂纹出现,轴承的承载能力明显下降,裂纹顶端受弯曲应力,随着微小剥落的不断发生,最终形成面积较大的层片状剥落[6,7]。因此,烧伤区形成的软点导致了轴承出现早期疲劳剥落失效。

案例1就是由于局部磨削烧伤引起的疲劳裂纹,其特点是,在剥落区附近有一白亮层,其他区域组织未见异常,白亮层内组织与正常组织有明显差别,回火组织基本消失,且晶粒略有变大,同时,硬度测试结果表明轴承滚道白亮层硬度低于基体的硬度。

2.1.2 尺寸的影响

由于尺寸发生变化,使轴承丧失运转精度,轴承零件的组织(例如残余奥氏体)和应力均处于不稳定状态。由于轴承零件的尺寸与形状不同,膨胀系数或膨胀量不同,在超常温下工作就会造成轴承工作游隙变化,轴承也会因失去运转精度造成早期失效。

2.1.3 未溶碳化物的影响

高碳轴承钢经淬火+低温回火处理后得到的组织为未溶碳化物+针状马氏体+残余奥氏体。影响其表观性能则是未溶碳化物含量、碳化物形态分布、马氏体针的大小以及残余奥氏体含量。对进口轴承和国产轴承组织结构与性能进行对比分析,发现日本与德国轴承钢的未溶碳化物含量较国产轴承钢要低一些,尤其是日本的轴承钢未溶碳化物含量低于德国轴承钢,所以硬度也高[8]。这是因为未溶碳化物含量少,使其马氏体基体中的碳浓度提高,硬度也相应提高。淬火后轴承钢中的少量未溶碳化物可以使轴承保持足够的耐磨性,还能抑制马氏体晶粒长大,获得细晶粒隐晶马氏体,进而提高轴承的强韧性和接触疲劳强度等。除未溶碳化物含量影响轴承性能外,碳化物颗粒大小也严重地影响轴承的使用寿命。

但轴承材料中碳化物较多地未溶入基体,不但会造成该轴承硬度低而且影响轴承的耐磨性能,未溶解的碳化物在轴承运转的过程中脱落形成空坑,造成轴承运转不平稳[7]。如案例2就是由于未溶碳化物多而导致轴承出现早期疲劳剥落失效。

2.1.4 夹杂物的影响

当材料缺陷如气孔、疏松和碳化物积聚等得以控制后,夹杂物将严重影响材料的疲劳性能和强度。在清洁润滑条件下,轴承的疲劳寿命显著提高[5]。有夹杂物存在时,使用寿命明显降低。裂纹首先在夹杂物与基体交界处形成并扩展,导致疲劳剥落。案例4中轴承早期失效就与夹杂物数量多有关。

轴承构件承载区域内的非金属杂质,明显降低接触疲劳断裂抗力。杂质是与基体明显不同的外来物质,非金属杂质通常是由金属元素和氧、氮、硅、碳、磷和硫等所组成的复杂化合物,对疲劳寿命更为有害。锻件中的杂质,通常是与晶粒流变方向相平行的不连续或半连续的带状物。于是,当应力方向与带状物成垂直时,非金属杂质最不利的影响就会显露出来,在周期性或脉动载荷作用下,由于杂质形状、尺寸、硬度以及其分布不同,会局部地使应力增强到一定程度,那么,疲劳裂纹的萌生和扩展,终将会使轴承寿命比预期的要短。将轴承钢中杂质的含量减小到最小值,就能使轴承的使用寿命显著增加[7,8,9,10,11]。

2.2 外来因素

外来因素主要是指安装调整、使用保养、维护修理等是否符合技术要求。因而也称之为使用因素。安装条件是使用因素中的首要因素之一,轴承往往因安装的不合适而导致整套轴承各零件之间的受力状态发生变化,轴承将在不正常的状态下运转并提早失效。根据轴承安装、使用、维护、保养的技术要求,对运转中的轴承所承受的载荷、转速、工作温度、振动噪音和润滑条件进行监控和检查。发现异常立即查找原因,进行调整,使其恢复正常。对润滑剂质量和周围介质、气氛进行分析检验也很重要。尤其是润滑剂的正确使用对延长轴承的使用寿命是至关重要的。

2.2.1 装配不当的影响

装配对轴承寿命的影响是至关重要的,装配间隙过大会妨碍传热,增加轴承温度并导致内环和外环的装配面和轴承表面的磨损;装配过紧会使内环或外环上滚珠跑道的整个圆周上出现麻点,并可能使运转时的径向间隙过小甚至消失而使滚珠所承受的载荷变大,并使温度急剧增加。麻点的出现还会使振动增大,引起很大的扭力。装配不正确时,会引起轴承运转失衡[12]。案例5则是由于安装不当,造成轴承载荷分布不均匀,滚动体的载荷发生变形,形成偏载。当轴承发生偏载后,某列滚动体的当量载荷将大于其他列滚动体的当量载荷,出现该列滚动体承载增大,甚至超出承载能力,形成局部过载破碎。偏载不但影响多列滚子轴承各列滚子间的载荷分配不均,而且很容易引起单列滚子发生严重倾斜。造成局部应力集中,使滚动体由滚动变为滑动,从而破坏了滚动条件,导致了轴承的早期失效。

2.2.2 润滑的影响

润滑质量是轴承使用寿命得以保证的最基本要求。轴承运转过程中有多种摩擦,其中内摩擦最严重的部位是转动圈滚道负荷区,轴承存在径向游隙,滚子只在负荷区滚动,非负荷区的滚子处于半滚半滑状态。当滚子一旦进入负荷区自转突然加速,在增速过程中,滚子与滚道的摩擦较强烈。同时在这一区域承受着冲击负荷。在润滑不良的情况下,零件的表面粗糙度逐渐加大,磨损更加严重,单位表面压力增大,同时轴承运转滚动体与滚道、保持架之间、保持架与内外圈之间均存在滑动摩擦。这类滑动摩擦随速度与负荷的增大而增大,从而造成部件之间相对“爬行”。为了减少摩擦与磨损,滚动轴承工作时各元件之间必须有良好的润滑油膜,利用润滑油膜来隔离各元件的接触表面,防止产生金属与金属的直接接触。润滑还能起到冷却作用,带走运转中产生多余的摩擦热[7,13,14,15]。案例6则是由于润滑不足引起的轴承早期失效。润滑不足在非常短的时间内,将造成轴承的超温而使之破坏。当过热的轴承发生破坏时,一般产生严重的振动或机件的卡滞。轴承失效的主要特征为:轴承所有滚珠或滚棒直径减小,表面有熔化的痕迹及过热变色的痕迹。

2.2.3 载荷的影响

如排除轴承本身因素,轴承在工况条件下所承受的载荷仍是影响轴承使用寿命的重要因素。轴承在过载条件下运行,会导致轴承金属材料产生异常磨损和疲劳损坏,造成轴承滚动体局部萌生疲劳裂纹。疲劳是负载表面下剪应力周期性出现所形成的结果,经过一段时间后,这些剪应力便引发微小裂纹,渐渐地延伸至表面,当滚动体经过这些裂纹后,最终出现剥落现象[7,15]。案例7则是由于冲击载荷导致紧圈内有撞击凹坑,说明轴承所承受载荷已超过了跑道材料的弹性极限。撞击凹坑是由过大的载荷或严重的撞击而造成的,撞击凹坑能使轴承的振动增加,严重时使轴承很快疲劳破坏。

2.3 预防轴承失效措施

(1)采用一切可能和有效的手段,尽量提高轴承的寿命和可靠性。包括结构设计的优化、加工工艺的改革、原材料的精选和精炼、高效率高洁度的润滑、精细的装配等。这也是防止轴承早期失效的最根本、最积极主动的途径。

(2)加强轴承产品的质量检测和监督,以确保轴承产品质量指标达到设计要求。在轴承投人运转之前,严格的质量检测和监督也是预防轴承早期失效的积极措施。

(3)加强对轴承工作状态的诊断和预测,及早发现异常,采用预防措施以防止突发性失效事故可能造成的重大损失。

3 结论

(1)轴承故障中有约40%是由于内因导致的轴承早期失效,这其中有40%属磨削加工问题。约60%是属于外因,这其中有50%是装配问题,其他的就是由于润滑以及过载,或使用过程中的一些偶然因素造成了轴承的早期失效。因此,提高轴承的寿命和可靠性,轴承的设计制造、加工过程以及使用过程都是非常重要的,这些方面都必须做到精细。

(2)轴承失效很大一部分原因是出于磨削加工和安装环节,因此,在磨削加工时需通过选择合理的工艺参数,正确选择砂轮、磨削液等措施来防止过烧而引起轴承的早期失效。安装时必须采取有效的措施,将轴承正确地安装于轴上或轴承座圈内,此外轴承必须垂直于轴,紧靠轴肩安装。轴承座圈必须是一个圆,能给整个套圈提供适当的握紧力而不至使其变形。安装后应进行调试与检验,确定安装到位。这样能很大程度上预防轴承的早期失效。

8.石油钻杆的应力失效分析 篇八

关键词：石油钻杆；应力失效；断裂；分析

0引言

石油钻杆是钻井过程中主要起传递扭矩和输送泥浆的作用，承受着拉、压、扭、弯曲等交叉作用的复杂应力载荷，要想提高钻杆的工作寿命，加工材料必须具有良好的抗扭、抗冲击、抗弯曲等力学性能，必须采用良好的加工工艺和表面处理措施，提高表面质量，最大限度的消除表面应力集中。钻杆的材料一般为抗硫材料、铝合金材料、钛合金材料、超高强度钢及新型碳纤维复合材料、凯夫拉材料等等。国内常用的有95SS、105SS、S135、G105、26CrMoNbTiB、UD—165等等。这些材料才抗腐蚀、刚磨损、抗疲劳等方面各有所不同，使用的油田也不相同，文章主要针对国内常用的S135材料应用中出现的应力失效断裂情况进行探讨分析。

1.钻杆失效分析的作用

失效分析是判断钻杆失效形式、分析失效原因、研究失效处理方法，从而达到改善钻干设计原理和完善加工工艺，减少和预防钻杆因同一原因引起的重复失效断裂的不良现象，降低石油钻采的经济成本。钻杆是石油钻井设备中必不可少的工具，一般都在恶劣的环境下应用，是，应用频率高，时间长，影响使用寿命的因素多，是石油钻采中最薄弱的环节。分析钻杆的失效原因，有针对性的加以不断的改进，是防止钻杆断裂，保证在钻井中安全运行的重要措施。

2.钻杆断裂分析

文章以某钻井队的两次断裂情况进行着手分析：一是钻杆尺寸为5 1/2"X9.17mm，钢级是S135在某井下2864.3m时发生了5 1/2“的钻杆断裂事故，该井在2863.2m处遇到了4.5吨的阻力，划眼到2864m，悬重由152吨降到110吨，泵压由20MPa降到14.6MPa，起钻时发生断裂，断口离距离公接头0.62m，断口平齐，断口外径140mm，基本无扭曲塑性变形，断口有140mm长的水泥刺痕。二是钻杆尺寸为：5"X18°X8.96mmS135钢级，在井深1389.17m时发生5"X18°钻杆断裂事故。悬重由84吨降到52吨，泵压由12MPa降为8MPa，断口位于公接头加厚过渡段的终了处，距离台肩约0.48m，有泥浆刺痕，产生了45mm X 45mm刺口，呈现椭圆形扭曲塑性变形样，大直径125mm，小直径124mm。

通过对断裂钻杆的观察和对现取样分析，得到以下信息：

2.1石油钻杆的断裂大部门是处于告诉运动过程中，突然受阻，钻杆头在瞬间受到非均匀动载荷高频重复作用，产生了复杂高集中应力变化，是钻杆承受载荷大大超过额定载荷作用，发生了断裂。

2.2断裂带均处在地下较深地带，离地面扶正器较远，靠向钻杆公接头。这说明每一个钻杆的断裂都受到一定的弯曲应力的作用，且深度越深，弯曲应力起到的破坏作用越大。

2.3钻杆断裂前都受到不同程度的强阻力与钻杆的旋转力叠加在一起，在钻杆上形成一定的扭矩，加剧了钻杆的断裂倾向。

2.4断裂带一般都发生在厚度发生变化的过渡终了带，说明了钻杆在加工过程中，在杆中形成了一定的集中应力，在受到外载荷剧烈作用的时候，应力在过渡末梢放生了释放，导致裂纹的产生。

2.5断裂前有明显的哧口出现，表明断裂不是突然发生的，而是在裂缝的基础上发生的断裂，这与第四条的应力破坏正好吻合。

2.6从断裂后的材质取样分析，发现断裂前后内部仍有一定的内压力进一步影响裂纹的形成与发展。

3.造成失效的宏观和微观因素

3.1宏观因素

钻杆承受的内压力、受腐蚀造成的内表面产生的敏感缺陷，如裂纹、脱落、刺孔等等。从断口形貌的断裂方向看，切向载荷产生扭矩对裂纹的轴向扩展破坏；旋转作用弯矩使裂纹产生轴向扩展；合力产生的应力超过抗拉强度极限，造成过载断裂。从观察表明裂纹的起始和扩展方向看与表面缺陷有关，钻杆疲劳核心在管子的表面。但是，宏观特征并不能说明引起断裂的裂纹形成原因，钻杆自身使用材料的缺陷和环境因素都有可能形成内表面缺陷，如涂层自身缺陷可以导致内表面局部腐蚀，形成裂纹源；外载荷可以导致涂层破裂，引起内表面局部腐蚀； 材料内部缺陷可以形成应力集中。可以看出钻杆的断裂终与材料中的孔洞、缺口、裂纹和应力集中有密切的联系，是造成结构破损的最重要的原因。这些早期出现的裂纹和应力集中大都在锥形体与管柱之间过渡区域的圆周上，伴随着疲劳断裂始终。所以宏观因素就是疲劳断裂和刺孔穿透。

图1 断裂口的宏观特征

3.2微观因素

对引起钻杆宏观因素进行进一步研究，找出破坏机理就是微观影响因素。本文采用光学和电子显微镜对断裂和刺孔不同部位的金相组织特征和微区成分进行观察分析。具体如下实验。钻杆为S135，断裂分析采取了在断裂口上取样，重点在疲劳源区上取样，取多个点K1 ，K2，K3…（图2） 。取两个不同的钻杆B和N在各自的加粗段、过渡段和母材段分别取样，编号分别为B1， B2， B3…和N1 ， N2， N3…。裂纹分析在一只B管的内表面上疑似含有裂纹的缺陷的位置进行金相分析，按上述B序列进行编号；刺孔分析样品取自N管穿孔部位，按上述N序列编号进行实验分析。用光学和电子显微镜对断裂和刺孔的上述位置进行观察并对化学成分和力学性能进行分析，获取热处理和热加工对钻杆的影响，管段、过渡段、加粗段、断口的金相组织变化，B管内表面裂纹金相组织变化。对B、N管的墩粗段、过渡段及B管直管段进行显微硬度测试；对刺孔进行电子显微镜能谱分析、断口电子显微镜观察

图2疲劳源区

3.3通过以上实验和分析得出：

断裂失效是由钻卡加工过程中墩粗工艺温度过低，变形量过大，导致过渡段低温段

易形成一个组织不稳定的高应力集中区，成为疲劳源区。这种现象一般是来自墩粗锻造裂纹和喷砂形成的不均匀。高应力释放，必然引起裂痕，在外部高循环载荷的不断作用下，出现疲劳扩展。结合上述断口的宏观特征，可以得出过渡段低温区形成高应力区和外部循环载荷作用是断裂产生的主要原因。要防止钻杆断裂，首先是严格控制墩粗工艺，变形段的热处理过程中最低温度一定要严格控制在再结晶温度以上，并严格控制每次加热后的弯曲变形，同时要控制好内表面质量，尤其是过渡段。其次是，积极研究改进热处理工艺，提高变形区的强化处理。

刺孔主要是钻杆工作过程中，被岩石等地质结构造成中的液体腐蚀点坑造成的，是从由外表面向内进行扩展的，当蚀坑的深度使管子的壁厚承受不了内部压力时，穿孔就会发生。重实验观察和分析来看，主要是由强腐蚀性的氯离子引起的。氯离子的腐蚀和点坑及液体压力是形成刺孔的主要原因。防止刺孔的措施，首先是防止氯离子的侵蚀，其次是避免钻杆在地下长期静置、运转，同时加强清洗。

4.结论

断裂和刺孔是石油钻杆当前失效的两种主要形式，从对钻杆断裂和刺孔的现场取样观察分析，可以得出，疲劳断裂是断裂的主要原因，穿透性是刺孔的主要危害和特征。通过光学仪器对断口和刺孔的金相组织、微区成分及力学性能进行仔细分析，得出钻杆的断裂与热处理工艺密切相关，刺孔与管子表面的点腐蚀行为有关。在钻杆的应该过程中，我们要根据影响的因素和钻井的地质构造情况对钻杆做好相应的处理和保护措施，提高钻杆的使用寿命。

参考文献：

[1]李鹤林，李平全，冯耀荣.石油钻柱失效分析及预防[M].北京：石油工业出版社，1999.

[2]房舟.钻杆的失效分析[D].西南石油学院，2006.