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螺栓失效分析概述
失效分析概述
在具体讲述螺纹紧固件失效分析案例以前,先对失效分析的定义、意义、目的;失效的来源;失效分析的思路与方法;断口分析和名词术语等做一简单叙述。
失效定义
一个零件或部件不能履行设计赋予它规定的功能,称该零件或部件失效。它包括以下三个内容:a.完全不能工作;b.可以工作,但不能令人满意地完成预期的功能;c.受到严重损伤不能可靠而安全的连续使用,必须拆下来进行修理或更换。
应注意把失效与废品区别开来,前者是在使用过程中出现的,后者是在生产制造过程中产生的。
另外,失效又分为正常失效和非正常失效,达到设计寿命的为正常失效,反之为非正常失效,后者才是通常失效分析工作的主要对象。
失效分析的意义、目的
机械产品设计者的主要任务,是为社会提供质量好、寿命长、成本低的产品。一种新产品的诞生,开始并不是完美的,多少会存在各种大小不同的问题,这在设计、制造中可能难以发现,往往只有在使用中才能充分暴露。为此,设计、制造者必须针对产品使用中出现的失效进行仔细分析,找出问题的症结,重新改进设计、制造。再投入使用,发现问题,再改进,这个循环过程也许要反复进行多次。因此,失效分析是机械差品的质量由不完善走向完善的必经之路,是机械产品可靠性设计重要的一环。最近一些年来,委托我们进行失效分析的任务越来越多,这是好事,这并不反应产品质量越来越差,而恰恰反应了生产者、客户对产品高质量的追求。
失效的来源
造成失效的来源主要有以下方面:
——设计
——选材
——材料缺陷
——制造工艺(冷加工、热加工、表面处理等等)
——贮存、运输(碰撞、锈蚀…)…)
——服役条件(环境温度、受力状态、腐蚀环境、相关件的影响等)
因此,失效来源不能单归咎于生产制造者,还包括流通环节和使用者的一些问题。
失效分析的思路、方法
失效分析也有繁、简之分。一些零部件的失效在现场很快能确定失效原因,这是简单的。但是对一些大型零部件(如飞机、电站转子…),一些复杂且影响因素很多的零部件的失效分析,则必须组织多专业的科技人员,动用一些专用的检测仪器设备。
进行失效分析时,要做的工作包括(根据分析工作的难易来取舍):
收集背景资料:失效件的设计图纸、要求;失效件的制造历史;失效件的服役情况、环境、受力情况…。
失效件的现场状态:运行记录、询问现场人员、拍照。
化学成分分析:鉴别材料的选择是否正确。
无损探伤:磁粉、超声波、着色、涡流、X射线、γ射线、工业CT…。
断口分析:保存好失效件的断口,不要受到损伤,不要将两个断口去吻对,断口上的附着物不要忙于清除。断口的清洗要小心谨慎。
金相检验:包括低倍与高倍。
断口电镜分析:扫描电镜,透射电镜,俄歇谱仪,能谱分析等。
相结构分析:X射线衍射。
受力分析:光弹,应变片,涂漆,X射线应力测定。
力学性能测试:硬度,σb,σs,δ,ψ,Ak,Klc,da/dN…。
断裂模拟试验:对一些吃不准的破坏形式,根据受力条件、环境进行模拟重现。
分析、结论。
断口分析
断裂是机器零件失效最严重的表现形式之一。对断裂的研究已发展成一门独立的边缘学科,涉及到断裂力学,断裂物理,断裂化学和断口学等多个分支。其中断口存储记录了大量失效特征及失效原因的信息,因此,断口分析是失效分析最基本,也是最重要的方法之一。尽管如此,在断口上记录的信息毕竟有限,加之对断口的基本研究仍在深入,以及在复杂工况条件下断口形貌的变异,增加了断口分析的难度和结论的可靠性。因此绝不能把断口分析和失效分析等同起来,把断口分析所得出的结论充当零件失效原因的结论。
断口保存
断口不要磕碰,不要把两个匹配断口用力去吻对,以免断口形貌失真。断口上的一些残留物、污迹往往是失效的证据,不要轻易去除。比如断口上的油污、锈迹等往往是裂纹产生在热处理前或后的判据。待分析的断口要用干净的纸、布包好,防潮,以免锈蚀。
存在多个断口时,对每个断口的位置要标明,编号,照相留存。
断口清洗
当对断口要进行清洗时,可用酒精、丙酮等清洗;不干胶带反复粘贴;电镜薄膜粘贴;超声波清洗。
当断口污染、锈迹严重时,可用化学方法清洗;呈弱酸性的溶液,碱液清洗(如醋酸,磷酸,稀氢氧化钠溶液,10%~20%的草酸等)。
清洗完后,用酒精淋洗,吹干后便于观察或置于干燥箱中保存。
二次断口的打开
有时断口受到严重损坏,断裂细节观察不到,此时可将次生裂纹处打开进行观察,往往可以更加真实地反映断裂的细节。此时,应将断裂处反响折断,以防断口受到挤擦损伤,有时可将试样深冷处理(如液氮),使材料脆化,便于折断。
配对断口的提供。
有时单个断口不能反映断裂的力学特征,对配对断口进行观察比比对便可得出结论,如张开型断裂,扭转剪切型断裂,从韧窝的相对变形方向便可判断受力性质(图1)。
图1 在三种应力状态下形成的显微空洞及微坑形状的示意图
(a)正应力 (b
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