断口分析.docx
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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,人们常会看到一些损坏零件的断口,但是人们缺乏“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和合金钢而言,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看不到颗粒状形貌,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、裂纹扩展区和瞬时断裂区特征(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、裂纹扩展区和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:
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他两个区要小很多。
疲劳裂纹大多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:
是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。
它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”。
疲劳弧线是因机器运转时的负载变化、反复启动和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,三个区的大小和位置不同。
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,还可看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,但从断口来看它更像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
Kβ=5000Nm/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M0=±Kβ×β=±87.3×7.5°=±655Nm
稳定杆端头作用力
图4
拉杆AA断面处的弯曲应力σ
拉杆材料为20号钢,许用应力是σ=45000N/cm2,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±20Nm
55号钢的屈服极限为σs=382N/mm2
抗拉强度为σT=647N/mm2
螺纹和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:
125044N
从断口亮区所占的面积约为A=(0.78×222)/2=189mm2
断口的拉应力:
σ=Q/A=125044/189=662N/mm2
该值已达到或超过55号钢的抗拉强度[σT]=660N/mm2
必然在打扭矩时被拉断,如果淬火时零件未出现淬火裂纹,则断口的拉应力σ=330N/mm2,大大小于55号钢的抗拉强度[σT]=660N/mm2,因此是安全的。
5.结论:
损坏的样件是由于产生淬火裂纹,从而导致打扭矩时拉断。
摆臂断裂
从断口的齐整状态来看像刀切一般,只有一种因素可导致此结果。
众所周知,钢材在轧制时其金属纤维的流向与轧制方向相一致,像木板一样,平行木材纤维施加弯矩则可轻易掰断木板,垂直木材纤维施加弯矩时则很难掰断木板。
对于受力较大的底盘冲压件在落料工序编制时,一定要重视钢板流线的方向,不能与受力方向顺向,否则制成的另件就会出现上面的尴尬。
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