机械产品失效分析思路与程序的应用

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华北地区第十六届热处理技术交流会论文集

作者：孙维连 陈再良

摘要：介绍了机械产品失效的分析思路和基本方法。运用失效分析思路的对一些案例进行了分析。讨论了机械产品分析思路在机械设计和制造过程中的重要作用。认为建立正确的失效分析思路对获得准确的失效分析结果是十分有效方法。

关键词：产品失效；失效分析；分析思路

1  引言

机械产品失效有四种模式：磨损、腐蚀、变形和断裂，广义的失效是材料、力学和化学三者交互作用的结果。材料与化学二者之间的交互作用引起材料(构件)的腐蚀；材料与力学的交互作用引起材料的断裂、疲劳；材料、化学和力学三者之间的交互作用引起材料的磨损与腐蚀有关的断裂(如应力腐蚀、腐蚀疲劳、高温断裂)。机械产品在实际制造和使用过程中，机械损伤和缺陷是难免的。是导致机械零件失效的主要原因。实践表明，大多数机械结构失效是由于存在原始缺陷或损伤造成裂纹萌生，扩展，直至断裂的发展过程。但由于环境的突变，操作失误或管理不善也会造成偶然失效。偶然失效在机械产品失效占有较低的概率。判断机械失效的性质、分析机械失效的原因、研究机械失效事故的处理方法和预防措施的技术活动及管理活动统称为机械失效分析。因此，机械失效分析是分析失效原因的思路与方法的总称。

通过失效分析去发现新问题，认识新规律，发展新技术。现代摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科的创立和发展与机械失效分析有着非常密切的关系。随着科学技术的进步，新设备仪器的开发与应用，失效分析手段不断提高，失效分析的思路得到创新和拓展，正确应用失效分析思路和方法，可使得失效分析的准确性不断提高。

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机械产品零部件加工

2  失效分析的思路与程序

(1)失效分析思路

失效分析的思路是指在思想中以失效规律(宏观表象特征和微观表象机理)为理论依据，通过调查、观察、试验获得的失效信息(失效现象、失效对象、失效环境)分别加以考察，然后有机结合起来作为一个整体综合考虑，以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理方法，判断失效事件的失效模式，推断失效原因。下面是失效分析思路框图。

通过合理的失效分析思路判断失效机制，解释失效模式。主要依据是失效的形貌特征、失效的应力状态、失效材料的实际强度、失效环节因素，失效相关因素(误用性和受累性)。近代材料科学和工程力学对破断、腐蚀、磨损及其复合型的失效模式和失效机理作了十分深入的研究，积累了大量的统计资料，为失效模式的判断、失效机理及失效原因的解释奠定了实践基础、技术基础和理论基础。(2)机械失效原因分析基本程序：

失效现场信息调查(含背景材料收集)

失效事件初步研究

失效模式初步判断

确定具体分析思路和工作程序

实施工作程序查找失效原因

综合分析失效原因

总结报告

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3  典型案例剖析

例1模具淬火断裂的失效分析

现场信息调查：某厂用3Cr2W8V钢制热锻模具锻造材料为25钢的齿状零件。模具加工时，发现锻件硬度较高，为了便于加工，将模具进行过一次降低硬度退火。但温度和时间已无纪录。加工后的模具在淬火过程中听到模具开裂声音，随即停止冷却，并放在630℃回火炉中回火，回火时裂纹继续扩展使模具成为多个碎块(见图2，图3)。由于发现模具开裂，中止继续回火。

失效分析的初步研究与判断：模具在热处理时开裂，凭经验主要有三种原因可能造成失效：。材料化学成分错误，加热温度过高，原始材料组织有缺陷(组织粗大、碳化物或杂质分布不均匀)。

建立具体分析思路和工作程序：按三种失效原因建立具体分析思路和工作程序如下：(1)材质分析，(2)力学性能分析，(3)断口分析，(4)分析论证开裂原因，(5)结论。

实施工作程序查找失效原因：

(1)原材料化学成分分析结果：

在模具上取样，测定模具的化学成分(WT％)如下：

与GBl299--85相比，其化学成分符合国标要求。

(2)力学性能分析结果：测定锻件的硬度为28—30 HRC，模具淬火、回火后的表层硬度为40—41HRC，心部硬度为47—48HRC。

(3)断口分析结果：宏观断口观察模具表层为细瓷状脆性断口，约30mm厚。模具断口心部呈粗晶状脆性断口形貌，从模具心部有向外放射的山脊状的花纹(见图3)，呈脆性解理断裂特征。

微观断口采用扫描电镜检查模具心部有明显的解析断裂台阶，属穿晶解理断裂特征。

显微组织分析结果：采用金相显微镜观察模具表层晶粒等级为6级。模具心部晶粒等级为1级(图4)。并观察到碳化物呈带状分布(图5)。

综合分析：模具表层为细瓷状断口，金相组织晶粒细小，属于正常的淬火组织。模具断口心部呈粗晶状断口形貌，有脆性解理断裂特征；奥氏体晶粒粗大，属于明显的加热过热现象。分析认为：厂方在加工模具时，发现锻件的硬度偏高，曾经进行一次降低硬度退火，但退火保温时间不够，仅使表层重结晶细化，因此出现了表层的细晶粒和细瓷状断口。由于模具心部未热透，淬火加热出现组织遗传现象，形成粗大奥氏体晶粒，冷却时受组织应力和热应力的双重作用，形成裂纹源，裂纹扩展导致表面开裂。碳化物严重带状分布(图5)说明锻造不充分。

结论：热锻模开裂属于锻造存在严重组织缺陷，即粗大的奥氏体晶粒(锻造过热组织)和严重的碳化物带状分布，锻造起始温度高，造成组织过热，提供锻件时未向用户说明，使用户按正常温度淬火出现开裂事故。若淬火前经充分退火细化，此事故也可避免。

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机械产品

例2零件超差造成事故的失效分析

现场信息调查：汽车轮毂紧固螺栓是汽车上至关重要的零件，该零件出现问题，轻则造成交通事故，重则造成车毁人亡，后果严重。某厂生产的汽车的左后轮紧固螺栓全部断裂，5个螺栓中有4个螺栓断裂前出现弯曲和扭转，1个螺栓被剪切。造成了车祸，该厂紧急召回了废车对其事故进行分析。

失效分析的初步研究与判断：轮毂紧固螺栓断裂形状有差别，凭经验可能造成失效原因是：螺栓的力学性能不够(材料误用，材料组织有缺陷)；结构和装配问题。

建立具体分析思路和工作程序：(1)材质分析(检查螺栓的材料成分，金相组织)，(2)力学性能分析(分析螺栓的工况条件，研究螺栓的紧固条件和强度)，(3)断口分析(检查螺栓的断口形貌)，(4)分析论证开裂原因，(5)结论。

实施工作程序查找失效原因：经对紧固螺栓切片取样，材质化学分析，金相组织检查，硬度测试等理化分析和力学性能测试，均未发现问题；观察断口，螺栓的断裂形貌属于韧性断裂，因此可排除螺栓质量的问题。每个车轮均有5个紧固螺栓，其强度满足设计要求。  对轮毂作进一步检查发现5个紧固孔的变形程度不同，其中一个孔变形小，另四个变形很大。因此对轮毂的形位公差进行了测量，测量后发现轮毂形位公差相差2mm。

综合分析：由于轮毂的紧固孔存在形位公差，螺栓的紧固面采用锥面配合，必然造成一个螺栓全方位紧固，其它螺栓局部紧固。部分螺栓处于局部紧固状态，在紧固点造成较大压强。汽车在运动过程中使紧固面产生变形而使紧固螺栓松弛，仅有一个全方位的紧固螺栓不能承受汽车轮毂的剪切力首先被剪断。其余螺栓在汽车交变应力下，弯曲变形，最后疲劳断裂。

结论：由于该厂对部分汽车更改设计，将钢轮毂换成了铝合金轮毂。由于钢轮毂的抗压强度高，上述情况还未发现问题。铝合金轮毂的抗压强度远低于钢轮毂，从而造成了此类事故。改进的方法是：(1)选用铝合金轮毂必须保证形位公差，但对小厂很难做到。(2)改用平头螺栓，增大紧固面的接触面积。

4  讨论

机械产品失效分析作为技术能力因素，在机械产品设计制造过程中起着重要作用。假如产品的规划设计缺乏科学技术知识，缺乏对使用条件和环境条件的正确认识，或原材料、元器件质量低劣，不符合要求，或加工制造工艺方法和规范不当，常常是导致产品失效的主要原因。

机械失效事故往往是突发性的，失效分析的期限往往要求很短，分析结论要求正确无误，改正措施要求切实可行。导致机械构件或系统失效的因素很多，加之受力状态复杂，再考虑外界环境因素的影响，则失效原因分析是涉及面广、时间紧、任务重、要求严。只有采用正确的分析思路，才能保证工作的效率和质量。

出现质量事故，应灵活运用分析思路和程序，首先应进行深入细致的调查，取证。进而利用各种检测仪器设备进行性能测定，最后对获得的结果进行综合分析确定结论。失效分析的结论看似简单，其中凝聚了专业人员复杂而又细致的大量工作。

5  结论

正确建立机械产品失效分析思路十分必要。上述失效分析实例表明，按失效思路的分析程序进行分析是一种十分有效方法。通过失效分析去发现新问题，认识新规律，发展新技术。现代摩擦学、腐蚀学、材料强度学、表面科学、电子断口学等学科的创立和发展与机械失效分析有着非常密切的关系。随着科学技术的进步，新设备仪器的开发与应用，失效分析手段不断提高，失效分析的思路经过创新和拓展，失效分析的准确性将不断提高。