材料及機械零部件失效分析

中國科學(xué)院廣州化學(xué)研究所分析測試中心

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一、檢測產(chǎn)品：

金屬材料及零部件失效分析（鑄鐵、鋼材、鋁材、銅材、鋅合金、鈦合金、結(jié)構(gòu)金屬材料等）

檢測項目：

1． 斷口分析

2． 金相分析

3． 化學(xué)成分分析

4． 力學(xué)性能分析

5． 金屬材料斷裂失效分析

6． 磨粒磨損失效分析

7． 成分定量及半定量分析

8． X射線衍射相結(jié)構(gòu)及表面殘余應(yīng)力分析

二、檢測產(chǎn)品：

高分子材料及部件

檢測項目：

1． 拉伸試驗

2． 彎曲試驗

3． 硬度測試

4． 定性分析

5． 腐蝕試驗

6． 表面形貌

案例一、 混凝土泵車油缸耳環(huán)斷裂分析

概況：水泥泵車節(jié)耳環(huán)，在泵車使用約1600小時后，后一次工作開始伸臂到第三節(jié)時，節(jié)耳環(huán)發(fā)生斷裂，見圖1，耳環(huán)的圖紙技術(shù)要求，材料為45#，調(diào)質(zhì)處理，硬度220~250HBS10/3000。通過理化綜合分析，認為耳環(huán)斷裂是由于零件熱處理工藝不當，導(dǎo)致材料的綜合性能降低，致使該零件工作時，首先在應(yīng)力集中的根部產(chǎn)生裂紋，隨后在反復(fù)加載卸載的外應(yīng)力作用下，裂紋以疲勞裂紋形式向內(nèi)擴展，當零件的有效承載截面尺寸減少到無法承載外力作用時，零件產(chǎn)生早期疲勞斷裂。

案例二、自行車鏈輪曲柄斷裂分析

概況：某公司生產(chǎn)的自行車經(jīng)客戶使用一年左右自行車鏈輪曲柄發(fā)生斷裂；該曲柄材料為變形鋁合金（6061），生產(chǎn)工藝為：鋁錠－擠壓成型－延展－整形－熱處理－陽極氧化。通過理化綜合分析，認為：由于原材料不合理的加熱而導(dǎo)致過熱，使晶界上產(chǎn)生復(fù)熔共晶球，在高變應(yīng)力作用下首先沿晶產(chǎn)生裂紋，裂紋又以疲勞方式擴展，再加上過燒降低了材料的疲勞強度，致使曲柄出現(xiàn)疲勞斷裂。

措施：企業(yè)隨后對生產(chǎn)工藝進行調(diào)整并嚴格控制，工藝為：鍛造爐溫510℃，加工溫度460℃，有的經(jīng)過三次返工鍛造，均未發(fā)現(xiàn)有過熱傾向。

案例三、冷凍水銅管外接直通接頭斷裂分析

概況：對某大廈使用兩年之久的空調(diào)冷凍循環(huán)水銅管接頭斷裂進行理化綜合檢測分析，認為：是由安裝外力、工作環(huán)境及銅管接頭材質(zhì)等多方面綜合因素造成的應(yīng)力腐蝕斷裂。

案例四、螺釘斷裂分析

概況：螺釘使用于木質(zhì)材料的緊固，使用十周左右，批量發(fā)生橫向斷裂。螺釘生產(chǎn)工藝：沖頭——輾牙——滲碳（熱處理：淬火＋低溫回火）——鍍鋅——去氫處理。技術(shù)要求：螺釘材質(zhì)為1018～1022（相當于國內(nèi)20#），扭矩Ф4.5>4.31N.m，表面硬度（500~600HV）,心部硬度（ 270~390HV ）。通過理化綜合分析，認為：該螺釘斷裂是因為螺釘滲碳時心部碳含量增加，心部淬火后回火得到回火低碳馬氏體組織，使心部硬度偏高，脆性增大，加之螺釘表面除氫效果不好，導(dǎo)致螺釘使用時產(chǎn)生氫脆延滯斷裂。

案例五、汽車機油泵漏油原因分析

概況:汽車機油泵鋁合金外殼，材料為AC4A（日本牌號），相當于國內(nèi)ZAlSi8Cu1Mg，合金代號：ZL106，生產(chǎn)工藝：重力鑄造——熱處理（采取兩次淬火，溫度480℃,恒溫3h，75℃水冷）——回火（溫度220℃，恒溫3h）——機加成型——硬度檢測（HRB40~60）——經(jīng)氣體密封試驗合格——出廠。生產(chǎn)2041件，其中一件裝機后行駛1097公里后發(fā)現(xiàn)機油泵有漏油現(xiàn)象，漏油機油泵經(jīng)過滲透試驗，確定漏油位置，為分析機油泵漏油原因，通過對機油泵進行理化綜合分析，認為：機油泵裂紋是由于內(nèi)部存在粗大的條狀共晶硅組織，增加了鑄鋁合金的脆性，降低了材料的承載強度，在使用時過早產(chǎn)生疲勞斷裂。

案例六、汽車零件斷裂原因分析

概況：汽車使用的內(nèi)連接板，材料為A380鑄鋁合金，表面電泳，鋁壓鑄溫度為670℃左右，表面處理固化溫度為150℃左右，技術(shù)要求：不允許有≥0.75mm的氣孔、裂紋、夾渣等鑄造缺陷，該零件在試用過程中發(fā)生斷裂，通過理化綜合分析，認為：內(nèi)連接板斷裂是由于內(nèi)部存在鑄造缺陷，破壞了材料的連續(xù)性，致使零件的有效承載截面尺寸減小，降低了材料的承載能力，當零件承受外力作用時，產(chǎn)生早期斷裂。

案例七、彈簧斷裂分析

概況：彈簧材料為SUS631J1-WPC，規(guī)格為Φ0.70mm，裝配到馬達上使用，使用一段時間后，發(fā)生斷裂（經(jīng)了解，目前發(fā)現(xiàn)同批彈簧有兩件發(fā)生斷裂，斷裂位置均一致）。通過對斷裂和非斷裂彈簧、新彈簧進行理化綜合分析，認為彈簧在外來腐蝕介質(zhì)的作用下，過早的產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕斷裂失效。

案例八、D2模具鋼產(chǎn)生裂紋原因分析

概況：D2模具鋼（Cr12Mo1V1），是生產(chǎn)表殼的冷沖模具，生產(chǎn)工藝是：首先將規(guī)格為（200mm×300mm×65mm）模具熱處理【（600±10）℃×3h預(yù)熱，（850±10）℃×2.5h第二次預(yù)熱，升到（1030±10）℃×2h,在空氣中預(yù)冷片刻后淬火，234℃～240℃×3h×2次回火】，硬度在60～61HRC，隨后將機加成多個一定規(guī)格的冷沖模具，在進行線切割過程中發(fā)現(xiàn)模具局部(靠近模具邊緣)出現(xiàn)裂紋；通過理化綜合分析認為：模具鋼是由于鋼中共晶碳化物較多，并且嚴重呈帶狀及網(wǎng)狀分布，促使晶界處脆性增加，導(dǎo)致模具在淬火應(yīng)力的作用下沿晶界產(chǎn)生裂紋。

案例九、9 起重機軸承失效分析

概況：某港口使用的起重機對稱球面滾子型推力調(diào)心滾子軸承，型號為9069480，材料GCr15SiMn，生產(chǎn)工藝為：鍛造 退火 機加 淬火＋低溫回火 磨加工 。在安裝使用初期，發(fā)現(xiàn)軸承旋轉(zhuǎn)時發(fā)出無規(guī)則金屬摩擦聲，特別是重載時，情況更為明顯，使用45天后軸承徹底無法轉(zhuǎn)動，發(fā)生失效。通過理化綜合分析，認為：由于滾珠材質(zhì)中存在較多的網(wǎng)狀碳化物加之硬度偏低，以及軸承內(nèi)外圈硬度偏低，至使軸承發(fā)生早期斷裂。

案例十、扳手連接件表面黑點原因分析

概況：某公司生產(chǎn)的扳手連接件基材為鋅合金，生產(chǎn)工藝為：電鍍銅（工藝要求≥10μm），電鍍鎳（工藝要求≥15μm），電鍍鉻（工藝要求≥5μm）；電鍍之后進行鹽霧試驗，外觀檢查驗收合格，與鋁件組裝成型后入庫存放。當放置一個月左右出庫時發(fā)現(xiàn)有40%左右的扳手連接件表面產(chǎn)生不同程度的黑點。通過理化分析，認為連接件產(chǎn)生黑點的原因是鋅合金鍍鎳、鉻層較薄，降低了鍍層的抗腐蝕性能，導(dǎo)致連接件在潮濕的大氣中局部過早的產(chǎn)生電化學(xué)腐蝕，形成穿透型孔洞。

案例十一、海上拖纜斷裂分析

概況：某海上石油工作平臺拖纜，使用的鋼絲繩規(guī)格：為8×61FWS+IWR，表面鍍鋅處理，內(nèi)芯為鋼芯，鋼絲繩直徑為76mm。在拖航途中，新過橋纜發(fā)生（使用半年）斷裂（當時海況：風(fēng)速13M/S，綜合涌浪：3.5米，過橋纜斷裂前拖纜張力：48~72噸），之后馬上更換備用過橋纜（使用三年之多的舊過橋纜）， 次日再次斷裂（當時海況：風(fēng)速14M/S，綜合涌浪：3米，過橋纜斷裂前拖纜張力：50~70噸），對前后兩天共發(fā)生兩根過橋纜斷裂，進行理化綜合分析，認為：拖力波動較大，使得內(nèi)股鋼芯瞬間負載過大，超過鋼芯破斷負荷，內(nèi)股鋼芯首先斷裂，再導(dǎo)致外股鋼繩過載斷裂，瞬間形成整繩斷裂。