材料失效分析及案例

材料失效分析与预防及案例分析

一、失效

零件由于某种原因，导致其尺寸、形状、或材料的组织与性能发生变化而不能完满地完成指定的功能。

二、失效危害性

1、失效导致机械不能正常工作，降低生产效率，降低产品质量，误工误事。

2、失效导致机械不能工作，停工停产，造成重大经济损失。

3、失效导致机毁人亡

三、失效分析

失效分析:判断零件失效性质、分析零件失效原因、研究零件失效的预防措施的技术工作。

四、失效分析内容

1、判断失效性质：畸变失效、断裂失效、磨损失效、腐蚀失效。

2、分析失效原因：设计、材料、加工、装配、使用、维护。

3、研究失效的预防措施：修改设计、更换材料、改进加工、合理装配、正确使用、及时维护。

五、失效分析技术

金相分析技术，断口分析技术，力学性能测试技术，理化分析测试技术，晶体结构分析技术，无损检测技术，应力分析技术。

六、失效案例

汽车离合器壳体开裂失效分析

1、粗视分析

离合器壳体由铝合金铸造而成。一个壳体破断为两部分，一个壳体一侧的裂纹长220mm, 另一侧有一条15mm长的裂纹。裂纹的起始位置均在壳体侧面下方的交界处。壳体侧面的内表面呈135°和90°夹角, 无明显的过渡园角。裂纹扩展方向与该处所受拉应力的方向垂直。

2、现场调研

离合器安装情况：离合器左边与发动机相联, 右边与变速器相联。离合器壳

体受到较大弯矩作用。发动机工作时, 壳体受到强烈振动。壳体下部受到瞬时大的拉应力作用, 在应力集中处容易产生裂纹造成开裂或破断。

3、立体显微镜下观察

断裂面有放射状撕裂棱。断面上有许多闪光的小点, 同时发现有园形、椭园形的空洞。最大的一个椭园形孔洞尺寸为0.6mm×1.2mm。这些空洞的内表面呈熔融金属凝固态, 为铸造缺陷气孔。

4、显微分析

观察裂纹形态及扩展方向。裂纹端部位于壳体两侧面内表面相交处, 裂纹上及其附近有大大小小的气孔, 裂纹垂直于壳体边缘扩展。

金相显微组织由白色的a固溶体+灰色的条状及小块状的Si晶体+黑色细针状Al-Si-Fe化合物组成。黑色针状Al-Si-Fe化合物为有害相, 导致壳体材料的韧性下降。裂纹穿过气孔, 并沿针状Al-Si-Fe化合物界面扩展。

5、扫描电镜分析

沿晶界或相界扩展的微细裂纹。平整的晶体平面。观察到晶界和晶内的裂纹。该壳体材料的断裂机制为一种包含沿晶(或相界)断裂和穿晶断裂两种形式的混合断裂。在裂纹快速扩展区断裂形貌呈山脊状撕裂棱。

6、能谱成分分析

对壳体材料和组织中的条状物进行成分分析。

合金的成分接近于铸造铝合金ZL102(ZL102成分: 90~87%Al, 10~13%Si)。含有Fe, 生成有害相细针状的Al-Si-Fe化合物, 降低了该合金的韧性。

条状物的Si含量很高, 确定其为Si晶体。

7、硬度测定

(1) 布氏硬度测定

硬度为54～61HB。该壳体的硬度值与铸造铝合金ZL102的硬度相近。

(2) 显微硬度测定

白色块状物65HV0.02 ；条状物75HV0.02

合金的硬度较低, 反映该合金的强度也较低, 只能用于对强度要求不高的铸件。

8、断裂原因分析

(1) 所用材料强度低, 气孔多。合金含铁量高, 出现较多的针状Al-Si-Fe 化合物, 使韧性大大降低。

(2) 壳体两侧面的内表面无明显的过渡园角, 导致应力集中。

(3) 安装结构不甚合理, 导致壳体承受弯矩过大, 振动厉害。易于开裂。

(4) 壳体受弯矩作用, 同时受到强烈振动, 迭加了扭矩, 在壳体应力集中处产生微裂纹, 裂纹扩展, 导致开裂、破断。

9、改进措施

(1) 材料方面:

a. 更换材料, 采用强度较高的ZL107、ZL109。

b. 降低含铁量, 进行良好的变质处理。

(2) 壳体结构方面: 将壳体侧面内表面尖角相交改为园角过渡。

(3) 改进发动机－离合器－变速器安装方式, 以减轻壳体所承受的弯矩及振动。