金属零件失效分析及实例 (DEMO)

金属零件失效分析及实例

一、轴的失效分析

1．1 轴的失效类型

轴是用来支承旋转，并传递动力和运动的部件。轴可以承受各种类型的载荷，如拉伸、压缩、弯曲或扭转及各种复合载荷。有时还承受振动应力。在这些载荷作用下，使轴失效的最常见的类型是轴的疲劳断裂。疲劳破坏起始于局部应力最高的部位，有些机械由于设计、制造、装配和使用不合理，也造成轴过早地发生疲劳断裂。

轴的疲劳通常可分为3种基本类型：弯曲疲劳、扭转疲劳和轴向疲劳。弯曲疲劳可由下面几种类型的弯曲载荷造成：单向的、交变的和旋转的。在单向弯曲时，任一点的应力都是变动的，变动应力只改变大小而不改变方向。在交变弯曲和旋转弯曲时，任意一点的应力都是交变的，即应力在方向相反的应力之间循环变化。扭转疲劳常因施加变动或交变的扭转力矩产生。轴向疲劳则由于施加交变或变动的拉伸—压缩载荷的结果。

承受了变应力的轴，由于机械的或冶金的因素，或两者综合的结果导致轴的疲劳断裂。机械影响因素包括了小圆角、尖角、凹槽、键槽、刻痕及紧配合处。冶金影响因素包括了淬火裂纹、腐蚀凹坑、粗大的金属夹杂物及焊接缺陷等。疲劳破坏占失效轴的50％以上。

在低温环境中或是在冲击及快速施加过载时，将会使轴发生脆性断裂。脆性断裂的特征是裂纹以极高的扩展速度(大约1800m/s或更大)发生突然断裂，而在断裂源处只有小的变形迹象。这种类型的断裂特征是断裂表面上存在着鱼骨状或人字形花样的标志，人字形的顶点指向断裂源。

一些表面处理能使氢溶解入高强度钢中，使轴脆化而断裂，例如，电镀金属会引起高强度钢的失效。

轴的韧性断裂(显微空穴聚合的结果)在断裂表面上呈现有塑性变形的迹象，类似在普通拉伸试验或扭转试验试样中所观察到的情况。对拉伸断裂的轴这种变形，用目视检验是容易见到的，但是，当轴扭转断裂时，则变形是不明显的。在正常工作条件下轴很少发生韧性断裂。但是，如果对工作要求条件估计过低，或者所用材料强度达不到预定数值，或者轴受到单一过负载，也可能发生韧性断裂。在通常情况下，材料的韧性随下列条件而降低：(1)以冷作加工或热处理提高金属的强度；(2)缺口敏感材料中存在缺口、圆角、孔洞、刮伤、夹杂物和疏松；(3)增加加载速度；(4)对于许多合金降低环境温度。

某些高温下工作的轴，在工作载荷远小于金属屈服强度的条件下，金属材料在高温及

应力作用下随时间发生变形，即金属的蠕变。如果蠕变—直延续到断裂，轴则因持久断裂而失效。

1．2 失效轴的检验

当检验一个失效的轴时，通常希望收集到尽可能多的有关该轴件的历史背景的资料，这些资料应包括设计参数、工作环境、制造工艺和工作经历、对这些情况的详细了解常常有助于指导研究失效的方向和改进措施。所需收集的资料及检验步骤有：

(1)了解有关轴件的零件图及装配图，以及材料和试验技术规范。注意在应力集中点及热处理、材料的力学性能试验场所和其他过程的技术要求。

(2)了解失效的轴与其相结合的零件之间的关系，应考虑轴承或支撑件的数量和位置以及它们的对中精度是怎样受机械载荷、冲击、振动或热梯度所造成的挠曲或变形的影响。更重要的是驱动部件或传动部件与轴的连接方法对失效的影响。

(3)检查轴组合件的工作记录，了解部件的安装、投入运转、检修和检查的日期，并从操作者或维修人员处了解有关资料，检查是否遵循有关规程及建议进行操作和维修的。

(4)初始检验。失效的整个组合件都应进行检验。润滑油、润滑脂和游离碎屑的样品都应仔细的从所有构件上取下．进行鉴定并保存起来供以后参考。

应检验与失效有关的或对失效起作用的所有部位的表面，注意擦伤痕迹，受摩擦区和异常的表面损伤和磨损。如有可能应将这些痕迹与某种不正常的工作条件联系起来检查。

应检验断裂零件，以确定失效的大致范围和部位，要注意在检查零件图纸时所发现的任何一个可能的应力集中区的附近部位。

应目视检查断裂表面，以确定是否存在有一种或多种断裂机制的迹象，并且是否存在有明显的裂纹源。检查邻近断口的构件表面有无次生裂纹、凹坑或缺陷，并随时照相、记录轴的情况。

有时，非破坏性检验方法(如超声波检验)可以提供有用的资料，以便比较、判断。

(5)随后可以通过宏观、微观及力学性能、化学分析等手段和方法作进一步的分析。

微振腐蚀：

微振腐蚀是由于承受高载荷的表面在另—表面上作很小移动造成的。微小的移动阻止形成或破坏保护性氧化膜，没有氧化膜阻止，金属间的真正直接接触，从而发生微观区域局部粘接，最后造成极小的金属粒子从表面脱落下来、承受振动的螺栓连接最易受微振磨蚀。

将螺栓孔中的间隙减小到最低限度．并采用适当拧紧的高强度螺栓来阻止相互接触表面之间的相对运动，就能防止微振磨蚀。

二、滚动轴承的失效分析

滚动轴承失效的原因很多。其主要影响因素包括：

不正确的装配、安装时过大的预加载荷、不充分或不适当的润滑、过载、冲击载荷、振动、工作温度或环境温度过高、磨损物质的污染、有害液体的侵入及杂散电流的作用等。

上述因素可使轴承产生多种失效形式，如：剥落或麻点(疲劳)、裂纹或断裂、旋转、爬行、沾污、磨损、软化、压痕、微振刻槽和腐蚀等。两种或多种失效机理可能会同时起作用，降低轴承的使用寿命。在某些情况下，可能有明显的单一失效机理，而在另—些情况下．却又会明显地呈现出几种失效机理的复合。当不只—种失效机理在起作用时，能否恰当地判定它们，不仅决定于对失效部件的细心检查，也决定于对材料的分析以及对轴承的制造、安装和运转情况的了解。

失效分析可遵循下述步骤：

(1)掌握有关使用和工作环境的全部资料，包括以下几个方面：

1)有关轴承使用装配方面的操作说明书；

2)转动速度以及转动速度是否为衡定的间歇的或变化的；

3)润滑系统的形式、润滑剂以及过滤方式；

4)周围环境、润滑剂及轴承构件的温度；

5)碎屑的可能来源；

6)流过轴承电流的可能来源。

对于每一问题的分析。并非这些资料都是需要的，但却是必备的，因为未作大量的分

析工作之前。并不能确定所需要的资料，事后再来收集有关资料常常是困难的甚至是不可

能的。若有可能，要获取能显示损坏最早阶段的样品．并在取下失效轴承前，外套圈相对轴承座及内套圈相对于轴的定位应作一标记，以便在随后的检查中与发生故障的可能条件相联系，并可与原来装配时定位的标记相比较。

(2)目视检查轴承，若有可能，连同机器一起检查，以确定所有有关部件的大体情况以及每个轴承构件的个别情况，这样即可鉴别出破损的形式。随时对轴承及设备进行拍照。以记录破损部位的形貌。

(3)收集润滑剂和碎片样品．以便于分析。

(4)在低倍(3—50倍)显微镜下彻底检查轴承，区分破坏形式，并对重要部位进行拍照。

(5)选择与破坏有关的代表性部位在高倍(100或更高)显微镜下进行金相分析、以验证目视检查结果。

(6)参照有关载荷、速度、润滑、工作温度和其他环境介质因素方面的资料。对实际的和预期的寿命进行比较。

8．4．4．3 滚动轴承失效实例分析

A 因轴承和轴不对中引起轴承的失效

某一喷气式飞机发动机在飞行中振动过大，立即关闭了该发动机。拆卸发动机之后，发现两个主轴滚珠轴承中，有一个轴承的保持架完全断裂。

这种轴承都是分瓣式内套圈单列向心轴承，为喷气式发动机所专用。是用真空熔炼的52100钢制造的，设计的最高使用温度为177度(350F)，在发动机中这些轴承一个挨一个地排列着。

a 分析鉴定

对两个轴承的内套圈与外套圈进行了硬度检查。保持架未破坏的轴承，其内外套圈的平均硬度值各为HRC58和59，均与规定的便度值HRC58—64相符合，保持架破坏的轴承，其内套圈硬度为HRC55，外套圈硬度为HRC57。在177℃(350F)时，这些构件的硬度为HRC50，这可能是过回火的表现。

为区别是过热、结构损伤还是不对中，对两个轴承的所有构件进行了目视检查，图8．4－28a是断了保持架的轴承的照片。图8．4—28b是保持架兜孔周围因严重划痕、擦伤和塑性变形而破坏的照片。在保持架的兜孔之间，沿边缘几个局部地点已开裂，在图8．4—28b上部两兜孔之间可以看到其冲一条裂纹(箭头指向部位)。

对外套圈检查的结果表明，保持架失效的轴承大约20％的承载表面受到严重损坏，滚

槽一肩损坏情况比另一肩重些，这说明至少在工作的一段时间内轴承不对中。在保持架的兜孔中进一步发现了不对中的迹象，兜孔受到的磨损是不均匀的。这种不对中使保持架的材料产生严重的应力集中，致使保持架断裂。轴承构件变色说明轴受热的温度己超过设计极限。不对中的原因尽管并不肯定，但可能是轴承在主轴上安装不正确所致。

第二个轴承，除内套圈滚道上有几处小的剥落坑外并未发现损坏。通过最大的剥落沿周向截取试样，对试样作金相检验后发现，在亚表面层中有一被拉长了的夹杂物、如图8．4—28c箭头所示。这种夹杂物处于轴承中剪应力最大的地带(大约在表面以下0.127mm)，这就表明上述情况是形成剥落坑的起因。

b 结论

主轴上的轴承不对中，造成了保持架过热和应力过大，从而导致保持架失效。运转期间的过热使失效轴承稍微进行了回火。

在支撑轴承的内套圈上发现的细小微坑．是由亚表面被拉长的夹杂物所引起的，这种夹杂物所处的部位剪应力最大。这些剥落坑还未大到足以使发动机产生振动，从而导致该机停火的程度。

4．3 齿轮的失效分析

8．43．2 齿轮失效的类型

齿轮是传递运动和动力的重要零件。齿轮类型较多，工作环境不同，因此有多种不同的失效形式。失效类型由失效齿轮的形貌和失效过程或机理确定。失效机理确定后，就可确定失效原因，提出相应对策。

齿轮失效类型可分为6大类：齿面耗损、胶合、永久变形、齿面疲劳、裂纹和轮齿折断。

每一大类还可再细分为几类以保证有更加精细和更明确的辨别特征。齿轮的失效类型

可参照表8。4—4。失效特征、部位及对策参照表8．4－5。