失效分析实例课件.ppt

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1、案例一：汽车飞轮挠性板的开裂汽车零件均承受复杂的振动载荷，故疲劳是挠性板常见的失效形式。本案例是旅行车上开裂的汽车飞轮。损坏前未进行过大修，行驶超过3.218688×105km，此零件属于合理的寿命范围。1、案例表现右图是该飞轮，裂纹如图箭头所示，并没有明显的塑性变形，如弯曲等2、实验过程用钢锯从飞轮上锯下含有裂纹的部分（如下图所示）和另外未开裂的用作对比的部分，再从中取下金相试样镶嵌于塑料中，进行磨光、抛光。然后用含有2%的硝酸的甲醇溶液显示显微组织。从右图看到，裂纹从一个空的边缘扩展到附近另一个孔的下面不远处。为了观察断口，从两孔之见切下试样，暴

2、露出部分断口表面。但这部分断口已严重研磨，所以在试块上正对裂纹尖端处切开，以曝露全部断口表面，从而用SEM观察断口表面，并用EDS分析3、实验结果断口形貌低倍放大的断口形貌如图7.28所示，没有宏观塑性变形的迹象。裂纹从左边缘向内扩展通过厚度1/4左右，断裂表面粗糙无规律，而其余的断口表面是光滑的，在光滑的表面上可以看到贝壳状花纹，故断裂模式是疲劳。粗糙的断口表面显示出这是最后因超载而分离的区域并向前扩展到一个孔的边缘，表明疲劳裂纹不是起源于此孔的边缘，而是沿着右边缘的。这一点在观察断口表面时也就是在切开试样之后得到证实。贝壳状条纹的弯曲部分表明疲劳

3、裂纹直接起源于另一螺栓孔的下面(图7.29)，与围绕该螺栓孔的同心圆槽重合在接近末端处偏离开其中之一螺棒孔的断口表面已严重研磨（但仍能看到有贝壳状花纹）（图7.28）而另一端则很少的磨损伤，并发现有疲劳条纹（图7.31）（疲劳条纹在显微组织复杂的钢中不常出现。本案例中的显微组织主要是晶粒尺寸均匀的单相铁素体。）试块切开后产生的断口表面如图7.32所示，且有韧窝状的形貌，表面这个区域是因空洞聚集而产生的显微组织显徽组织如图7.33所示．EDS分析显示出Fe和痕量Mn和Si。显微组织由细小的铁素体晶粒组成，含有很少量的珠光体，所以该板可能是用低碳普通碳钢

4、制造。存在密度相当高的拉长的夹杂（图7.34），夹杂同样存在于断口表面（图7.35）EDS分析为MnS。4、讨论飞轮是由普通碳钢制造的，具有细晶粒的铁素体组织。服役寿命超过3218688xlO5km（2×105mile）证明其基本设计和材料选择都是正确的。尽管存在密度较高的拉长的夹杂物（图7.35）．但它们不影响飞轮的疲劳寿命，裂纹不是萌生于断口表面上夹杂物（图7.35），看来疲劳裂纹源与螺栓或其垫片所引起的表面损伤有关，有可能是在安装时拧紧螺栓造成的。虽然3218688xlO5km（2×105mile）的服役寿命是比较好的，但从估计疲劳裂纹扩展的循

5、环次数是比较好的，但是从估计疲劳裂纹扩展的循环次数可以得到服役状况更为清晰的景象，这可由裂纹长度除以疲劳条纹间距得到。从图7.28得到的从疲劳源到裂纹端部的距离约为0.5cm，从图7.31得到的疲劳条纹间距约为0.5µm，所以疲劳裂垃扩展的循环次数大致为105，即平均每行走1609.344m（1mile）飞轮所承受的载荷已大到足以使裂纹前进l次。在疲劳设计中，通常要求的疲劳寿命为106次循环或更高。5、结论飞轮以疲劳模式开裂。疲劳起源于表面上被螺栓或其垫片损伤的区域。还应记住疲劳裂纹在飞轮中开裂生成可能是其他原因造成汽车过量振动的征兆。案例2、焊接铁

6、轨的失效制造很长铁轨的常用方法是用铝热剂法将铁轨焊接起来，如图7.36所示，工艺过程如图7.37所示。在两段铁轨的端头处被置包容两端头的模子，在模子上面放置盛装铝粉和氧化铁粉混合物的坩埚，点燃混合物后氧化铁被铝还原，同时生成氧化铝。这一剧烈的放热反应产生的热量足以将铁熔化之后铁液流入下面的铸型中。铁液中的显热足以将部分铁轨熔化，冷却时熔化的材料凝固，形成两铁轨端部的焊接接头。之后去掉模子，对接头的顶面和侧面进行磨削，使之与铁轨外形相同。1、案例表现本案例是研究若干个铣轨的铝热焊接头在短期服役后的断裂问题，图7.38是典型的断裂接头2、实验过程为得到断

7、口形貌和金相试样，用钢锯锯下一段断裂的铁轨，如图7.39所示。断口表面放入超声波清洗器中的含洗涤剂的热水中清洗，在洗涤剂热水中浸泡并用一软刷子刷断口。之后，又在超声波搅动的丙酮中清醒，然后进行干燥。金相试样镶嵌于环氧树脂中，之后用标准方法磨光和抛光。试样表面用含2%硝酸的甲醇溶液蚀刻。在未蚀刻的金相试样上测量显微刻度，选用500g的载荷。金刚石角锥体硬度值(DPH)准确到10DPH。3、实验结果断口形貌断裂穿过焊缝区，而不是附近的热影响区。图7.38中断口表面上的辐射状纹路指向裂纹源，是在轨腰底部的两侧。裂纹从这两处扩展，通过铁轨整个截面，在接近铁轨

8、顶面处发生最终断裂。裂纹源处含有较大的孔洞，孔洞的表面由枝晶构成（7.40）。在此区域中可以看到裂纹是从断口