断口分析

故障件的断口分析

在形形色色的故障分析过程中,人们常会瞧到一些损坏零件的断口,但就是人们缺乏“读懂”它的经验,不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。这里结合整改过程中的一些实例作些介绍,希望能对您有所帮助！

对于汽车常用碳素钢与合金钢而言,其常见断口有:

1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断裂。断口形貌为韧性(塑性)断口,断口呈暗灰色没有金属光泽瞧不到颗粒状形貌,断口上有相当大的延伸边缘。

2.疲劳弯曲断口:

2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口:出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区特征(下面将详

述)。

2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口:不具有典型的疲劳断口特征,属于不正常的弯曲断裂。其断口特征:沿弯

曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层;而内层呈银

灰色白亮条状新断口(见图1)。

图1

3.典型的金属疲劳断口

典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区与瞬时断裂区三个特征。断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。

3-1 疲劳裂纹源区:就是疲劳裂纹萌生的策源地,它处于机件的表面,形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆形,这就是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢,裂纹经反复挤压摩擦而形成的。它所占有的面积较其她两个区要小很多。疲劳裂纹大多就是因受交变载荷的机件表面有缺陷;譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点等缺陷形成应力集中而引起的。疲劳裂纹点在同一个机件上可能有多处,换句话说可能有多处疲劳裂纹源区,这需要我们去仔细解读疲劳断口。

3-2 疲劳裂纹扩展区:就是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。它就是判断疲劳断裂的最重要的特征区。它以疲劳源区为中心,与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇形的弧线,也称疲劳弧线呈“贝纹状”。疲劳

弧线就是因机器运转时的负载变化、反复启动与停

止而留下的塑性变形痕迹线。金属材料的塑性好、

工作温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。

3-3 瞬时断裂区:由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小,因此应力不断增加直至截面应力达到材

料许用应力时,瞬时断裂便发生了。材料塑性大时,

断口呈暗灰色纤维状;脆性材料的断口呈结晶状。小结:

要点:

疲劳宏观断口的特征

断口拥有三个形貌不同的区域:疲劳源、疲劳区、瞬断区。随材质、应力状态的不同,三个区的大小与位置不同。

1、疲劳裂纹源区

裂纹的萌生地;裂纹处在亚稳扩展过程中。

由于应力交变,断面摩擦而光亮。

加工硬化。

随应力状态及应力大小的不同,可有一个或几个疲劳源。2、疲劳裂纹扩展区(贝纹区)

断面比较光滑,并分布有贝纹线。

循环应力低,材料韧性好,疲劳区大,贝纹线细、明显。

有时在疲劳区的后部,还可瞧到沿扩展方向的疲劳台阶(高应力作用)。

3、瞬时断裂区

一般在疲劳源的对侧。

脆性材料为结晶状断口;

韧性材料有放射状纹理,边缘为剪切唇。

范例一:前稳定杆拉杆断头

最近前稳定杆拉杆在市场上出现多次短头现象,见图2

图2

其断口形状见图3、

图3

分析:由于故障里程都很短,理应不属于疲劳断裂的范畴,但从断口来瞧它更像2-2中所描述的超过抗拉极限范

围内的弯曲断口。引起此故障的可能因素有二:

1）在极限载荷下产生的弯曲断裂

2）材料与工艺上的原因

首先作一简单验算(见图4):

已知:

前稳定杆扭转角刚度

K β=5000 Nm/rad=5000/57、3=87、3Nm/度 稳定杆作用力半径 R=355mm=0、355m

当汽车满载,车轮上下跳动±100mm 时,

稳定杆的工作扭角 β=±7、5°

A=25mm

计算:

稳定杆的交变力矩 M 0= ±K β×β=±87、3×7、5°=±655 Nm

稳定杆端头作用力 N R M F 1844355

.0655±=±=±=

图4

拉杆AA 断面处的弯曲应力σ

233/461001.05.218441

1.01.0cm N a F d M =⨯=⨯⨯==σ 拉杆材料为20号钢,许用应力就是σ=45000N/cm 2,在极限

状态下就有可能产生断头故障,不过这还要进一步调查分析后才能下结论。

范例二。球笼驱动轴断裂原因分析

1.问题:08-02-25日一辆下线车在打力矩时在花键轴处断裂(图1)。

2.损坏件断口描述:(见图2)

1)在花键部位被拉断。

2)断口有两个区域,一为暗区(已产生的裂纹断面);另一为

亮区(新拉裂的断面)。

3)在暗区边缘沿花键根部有一明显的淬火裂纹(因它而扩

散到整个暗区,形成断裂面)。

4)断口金相颗粒比较细小均匀,说明热处理正常。

图2

3.基本分析

1) 暗区系零件中频淬火时,因花键根部出现淬裂导致该

区大面积与主体裂开。

2) 剩余的亮区部分,在M22×1、5螺旋打力矩时,承受

不了强大的轴向拉力而拉断。

4.验证计算

1)已知:材料为55号碳素钢;花键齿的根径D=φ23mm 螺纹M22×1、5 螺距 t=1、5mm 扭紧力矩 M=217±20 Nm

55号钢的屈服极限为 σs=382 N/mm 2 抗拉强度为σT=647 N/mm 2

螺纹与螺母之间的摩擦系数μ=0、15(钢—

钢)

2)验算:

螺母在用M 力矩扭紧时,计入摩擦的影响,所产

生的轴向力Q 可按以下公式计算:

d t t r M M Q πμπ15.02+-

= =+⨯-⨯=22

15.05.15.115.0112370002370002ππQ 125044 N

从断口亮区所占的面积约为A=(0、78×

222)/2=189mm 2

断口的拉应力:

σ=Q/A=125044/189=662 N/mm 2

该值已达到或超过55号钢的抗拉强度［σT ］

=660N/mm 2

必然在打扭矩时被拉断,如果淬火时零件未出