材料失效案例分析

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失效分析方法
机械构件在使用过程中常常发生磨损、腐蚀、变 形和断裂等损坏现象，造成严重事故的例子是举不胜 举的。人们为了防止机械构件的损坏，特别是突然断 裂损坏现象的发生及提高材料的使用寿命，很早就开 始对机械构件损坏的原因进行分析和研究，并据此提 出防止类似事故再度发生的改进措施。这样就形成了 一门新的分析技术，称之为“失效分析”或“事故分 析”。

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失效分析
失效分析是指分析研究机械构件的断裂、变形、 磨损、腐蚀等失效过程的特征或规律，并从中找出损 坏的原因的一门新的分析技术，称为“失效分析”或 “失效分析学”，还有人称之为“事故分析”或“故 障分析”等。
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失效分析的目的
防止同类失效现象重复发生 失效分析是机械产品设计、制造的依据 消除隐患，确保产品安全可靠 失效分析可以提高产品的信誉
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3.气缸套裂纹失效
发动机中气缸套与活塞环为一对摩擦副, 为提高气 缸套的耐磨性, 在材质上采用高磷铸铁铸造而成。 本案例的气缸套形状示于图10a, 其内表面上端产 生了如图10b所示的长约70 mm 的裂纹, 图10c为从内 表面穿透到外表面的裂纹。
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气缸套材质化学成分分析 该气缸套材质化学成分的光谱分析结果为: C3116%、Si 1175%、Mn 0190%、P 0125%、 S0112%。根据JB / T2330 - 1993 《内燃机高磷铸铁 气缸套金相检验》标准, 对< ≤200mm 的气缸套要求其 含磷量应大于015%。因此, 该源自文库缸套的材质是不符合 要求的。
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断裂原因分析 疲劳裂纹源产生的主要原因一般是材质不良和加 工不当。 该曲轴的材质为经调质处理的球墨铸铁, 其化学成 分、金相组织和力学性能都符合设计要求。从机械加 工来看, 该曲轴连杆颈与曲柄臂相交的的圆弧加工质量 太差。其圆弧的形状如图5所示。
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2.曲轴连杆颈磨损失效
某轿车发动机曲轴的 照片如图6所示。在其第三 连杆颈表面存在较为严重的 拉伤现象, 并产生网状裂纹 (龟裂) 。 连杆颈表面拉伤的的 宏观形貌如图7所示。透过 拉伤痕迹, 可见到连杆颈表 面存在网状裂纹, 其金相照 片分别示于图8。
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气缸套材质的金相分析 根据《内燃机高磷铸铁缸套金相检验》标准,对该 气缸套材质中的石墨、珠光体基体及磷共晶进行了检 验。石墨形状示于图11a, 呈菊花状, 合格。珠光体基体 示于图11b, 呈粗片状, 属合格范畴。
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材质中的磷共晶是决定高磷铸铁力学性能的关键 组织, 可从磷共晶的分布及组成上来分析。图12a所示 为磷共晶分布的金相照片, 磷共晶的网孔直径较大, 最 大可达0.43 mm , 磷共晶呈较为严重的枝晶分布, 增加 了材质的脆性。图12b为珠光体基体上分布的磷共晶 (白亮块状物)金相照片。在200 g载荷下测定了珠光体 基体及磷共晶的显微硬度, 分别为255HV0.2 和 1038HV0.2。
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1.曲轴疲劳断裂失效
该曲轴经检修后, 运行了6 000 km , 在连杆颈与主 轴颈之间的曲柄臂处发生断裂，如下图1所示
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断口形貌分析 断口宏观照片见图2。断裂面的宏观形貌示意图见 图3。由图2及图3可见, 该曲轴为典型的疲劳断裂。
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为了查明曲柄臂断裂原因, 必须首先分析两个裂纹 源中哪个是最初裂纹源。
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失效分析的步骤
在进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。
原始资料的收集
碎片（或断片）的选择与保存
失效部位分析
化学、力学、物理等试验分析
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综合分析
发动机零件失效案例分析
发动机是使用极其广泛的动力机械, 零部件处于不 同工作条件下, 往往产生不同的失效形式。即使是同一 零件, 产生相同的失效形式, 也可能是不同原因引起。 下面列举几个列举几个发动机零件失效案例并进 行分析。

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失效的类型
断裂失效：断裂是指金属，或合金材料，或机械产 品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。 变形失效：所谓变形通常是指机械构件在外力作用 下，其形状和尺寸发生变化的现象。 磨损失效：磨损是指金属或合金的两个相互紧密结 合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。 腐蚀失效：腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化 学或电化学反应而引起的损伤现象。
材料失效案例分析
指导老师：李荣华
姓
学
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名：
号：
失效分析简介
提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠， 可是在技术上要求机械产品达到100％的可靠性是不可 能的，所以要求尽可能地降低机械产品的事故率。因 为机械产品在使用过程中常常发生断裂、变形、磨损、 腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措 施，必须开展失效分析实例的研究。 目前，随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析 已经成为一门综合性学科。它不仅与断裂力学、断裂 物理、断口学等学科相关联，而且还涉及产品质量全 面管理等领域。
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连杆颈表面拉伤的机理分析 连杆颈与连杆瓦是一对摩擦副。在曲轴正常运转 的情况下, 连杆颈与连杆瓦之间有一层润滑油薄膜起润 滑作用, 并将两个摩擦表面隔开。检验发现, 该曲轴笫 三连杆颈表面无润滑油,连杆颈与连杆瓦之间呈现较为 严重的干摩擦现象。在润滑失效的情况下, 两个摩擦表 面的金属直接接触, 便产生粘着磨损。
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当曲轴在高速、高负荷条件下运转时, 摩擦表面显 微凸起部分的金属不断产生粘着磨损, 使金属表面沿着 滑动摩擦方向形成粗糙的条带或沟槽, 即所谓“拉伤” 痕迹。
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连杆颈表面裂纹的机理分析 随着拉伤过程的发展, 摩擦表面愈加粗糙而产生大量热 量, 这种热量将使连杆颈浅表层金属产生两方面的影响: （1） 浅表面金属迅速加热后体积膨胀, 在随后的冷却 过中, 由于体积迅速收缩受到内层金属的阻碍, 而在浅表层 内产生了拉应力。 （2） 摩擦产生的热量足以使连杆颈浅表层经过表面淬 火的金属产生回火现象, 使硬度降低, 并使钢材的比容减小 导致体积收缩。表层的体积收缩同样受到内层金属的阻碍, 而在其中引起拉应力。这两种拉应力往往都是双向应力。浅 表层金属在这种双向应力的作用下极易产生网状裂纹, 即所 谓“龟裂”。 该曲轴第三连杆颈摩擦副产生干摩擦的原因,在于发动 机润滑系统未能正常发挥作用。由于金属中的裂纹是不可修 复的缺陷, 在裂纹尖端应力场强度因子作用下, 将促使裂纹 逐渐扩展, 直至曲轴断裂, 因此该曲轴应作报废处理。
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失效的基本概念
失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在 使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的 性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件 不能完满地完成指定的功能，或者机械构件丧失了 原设计功能的现象。 常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效； 塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的 失效。 机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况： 物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失 效。
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4.小结
以上几个案例的分析表明, 发动机零部件由于处于 不同的工作状态, 失效的原因和形式往往也不同, 应进 行有针对性的检验和分析。
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请老师和各位同学批评指正！
谢谢！
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