裂缝研究:识别和理解破坏模式

裂缝研究:识别和理解破坏模式

Shane Turcott, Steel Image

发布03/07/2023

---

检查失效部件的断口表面是了解失效原因和失效方式的重要信息来源。

要了解一个部件或设备为什么会失效，首先必须诊断出它是如何失效的。不同的失效模式，如疲劳、脆性和腐蚀，都有非常不同的原因和非常不同的解决方案。如果调查猜错了故障模式，那么计划的修复可能无法解决故障的真正原因，可能会发生其他故障。

诊断零件如何失效的唯一方法是检查坏掉的零件。不同的失效模式形成了不同的特征，从而有助于诊断。一些损伤机制，如复杂的腐蚀开裂，需要实验室分析。然而，对于诸如韧性、脆性和疲劳等机械故障，仅通过对零件的目视检查就可以了解很多信息。可靠性工作人员、机械工程师和处理故障的检验员可以学习如何诊断机械断裂。

为了说明确定某件事情如何失败的重要性，请考虑三个失败的链条。这三种都来自汽车装配厂的输送链系统。他们的失败代表了生产成本的损失，并给组装汽车的人带来了安全问题。虽然链环是一个简单的部件，但它们可能以各种方式和非常不同的原因失效。识别失效模式对于理解每个环节失效的原因以及制定有效的解决方案至关重要。如果工程师和冶金学家在裂缝识别方面接受过适当的培训，他们只需接受很少的培训，就可以识别出这三种故障的失效模式。

或者换句话说，如果没有人研究过连杆的断裂，那么有人能猜到如何防止这三个连杆重复失效的几率有多大?记住，只要猜错了一个，就会有人受伤。

案例研究1

第一个链环来自一条在两年内经历了十几次故障的生产线。虽然每一次失败都被认真对待，但这些历史调查都没有研究它们之间的联系。

对最近的连杆断口表面的检查证实了断裂模式为疲劳(图1)。有了这样的诊断，连杆是如何失效的，下一个问题自然是，为什么连杆是疲劳失效的?疲劳失效只有在重复加载超过疲劳极限/钢材耐久性时才会发生。一旦链接被证明是音质，唯一的方法，导致疲劳失效的一个完美的链接是过度的，重复的加载。

因此，链环失效是由高于其承受能力的循环载荷引起的。调查的其余部分可以集中考虑高负荷的来源(线张力过大，半径转弯小，等等)。此外，考虑到整个链条都经历了过度的负荷，很可能许多其他环节已经形成了裂缝。因此，在移除/减少高负荷源后，需要更换链条。

在经历了十几次故障后，如果把最新的一环简单地换掉，链条还会继续发生更多故障。如果减少了链条上的负荷，但链条没有更换，已经断裂的链条将导致更多的故障。如果在没有减少负荷的情况下更换了链条，新的链条最终也会发生故障。

案例研究2

除了研究断裂特征以确定失效模式外，定位和检查裂缝开始的位置也是至关重要的。起爆部位有时会提供与零件失效方式和原因相关的关键信息。在第二次链环失效的情况下(图2)，断裂特征也是疲劳，表明重复加载已经超过了钢的强度。然而，从起始区来看，裂纹是由锻造缺陷开始的。这种预先存在的裂纹样特征增加了局部应力，从而导致疲劳裂纹．最终，这个链接失败了，因为原始制造的链接存在质量问题。

通过对其断裂的研究来了解部件是如何失效的，通常还包括与失效原因相关的额外信息。如果没有研究断裂的链接，不太可能有人会猜到它的失败是由于锻造质量问题。

案例研究3

第三个链环的断裂特征明显不同，因为它是由不同的机制失败。它的断裂特征与脆性破坏相一致，后来发现是由脆化引起的(图3)。由于钢的质量问题，它不具备承受弯曲载荷而不断裂的能力。

尽管脆性断裂的诊断完全在可靠性/机械工程师应该开发的技能范围内，但要理解为什么某些东西会变脆，就需要进行金属测试。然而，一旦认识到骨折特征，至少调查人员将知道需要采取哪些步骤来确保案件得到解决。对于这一环节，其脆化被确定为回火马氏体脆化，而回火马氏体脆化是由不均匀合金化和热处理引起的，两者都与零件质量有关。

结论:失效模式

像链环这样简单的组件可能会因多种故障模式而失效，每种故障模式都是由不同的因素引起的。一个人永远不应该猜测事情为什么会失败，因为如果他们这样做了，他们有时会猜错。要了解零件为何失效，首先必须准确地确定它是如何失效的。这只能通过检查失败的部分本身来完成。对于任何参与调查或防止设备故障的人来说，学习识别故障常见机械故障模态对设备可靠性的提高有极大的帮助。

请注意

本文基于Shane Turcott的《解码机械故障:解释断裂的权威指南》，并可在ASM书店．这本书介绍了断口学和如何解码机械故障的断裂特征。它演示了如何用大量的例子直观地诊断和解释延性，脆性和疲劳失效。然后解释了如何使用每种诊断来指导对失败的根本原因的调查。另外还有两章关于转轴的高级疲劳和静态紧固件失效。

---