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第十一章其它故障诊断技术 断口分析技术断口记录了断裂过程的相关信息,是一个重要的物证。机械零部件的断裂原因分析,涉及许多技术,他们有:材料元素组成方面的光谱分析技术;金相组织方面的金相分析技术;材料性能方面的强度硬度分析技术; 零件结构方面的断口分析技术。光谱分析、金相分析、强度硬度分析都需要依赖精密贵重的仪器仪表,断口分析技术靠的是人眼的观察,它是在工业现场就能初步分析的技术。 断口分析基础知识对于具有塑性特征的金属材料,断裂是拉伸应力作用的结果,压缩应力只能造成压溃,断口边缘处的挤出飞边就是其特征,剪切断裂的主要作用应力仍然是拉伸正应力,如图 11-1 所示,所以轴类零件的纯扭转断裂是沿 45 °线开裂。(如结构钢类)制造的拉伸试棒的断口如图 11-2 ,断口处明显表现出缩颈现象,断面呈杯状。ττττσσσσ图 11-1 剪切应力分析图 11-2 塑性材料的拉伸断口这是因为在断裂前,拉应力首先超过屈服极限,材料内部的晶粒被拉伸,同时出现流动。而材料表面的晶粒约束小,容易流动补充,所以伸长多些,而内部的材料晶粒约束较多,流动补充不易,所以在芯棒中心的晶粒首先发生断裂,断裂部位从中心向外延展。因而在断面处产生杯状断口。钢铁材料的主体是铁碳合金,在从液态凝固成固体时,首先形成晶核的是纯铁的铁素体,碳及其他合金原子则被排挤分布到晶界处,因而晶界是扭曲的,是抵抗变形错动的主要部分。这就是为什么细晶粒钢的强度大于粗晶粒钢的原因,钢铁材料的热处理就是通过获得不同的晶粒组织来获得所需的机械性能。因而断裂发生前塑性较高的铁素体晶粒被拉长,断裂后,这些拉长的痕迹被保留下来,在断口处表现为参差不齐的形态,通常称为纤维状。 a) 穿晶断裂(b) 沿晶断裂图 11-3 断裂形态如图 11-3 (a)所示,穿晶断裂的裂纹穿过金属材料的晶体,这是因为裂纹的延展总是沿着最弱方向,而材料中由铁素体组成的晶粒处于强度最弱的位置,存在扭曲错位的晶界则是裂纹延展的阻力,晶粒愈大,裂纹扩展愈易。穿晶断裂是应力断裂的微观特征,晶粒表现为残余的变形,断口表现为纤维状。图 11-3 (b)是沿晶断裂的示意图,沿晶断裂是化学腐蚀的结果。在晶界处材料内的杂质全猬集于此,其中有化学性质活跃的硫、磷等,再加上各类元素原子的键合度差异,存在许多薄弱环节,化学腐蚀最容易沿晶界扩展。不锈钢就是利用了铬、镍原子与铁原子的高键合度,同时也在表面生成化学性质牢固的强氧化膜阻挡了化学物质的入侵,合金原子的键合度是改善钢铁材料机械性质的重要因素。在金属表面生成化学性质牢固的氧化膜也是阻挡腐蚀的一种有效方式,铝合金的阳极氧化工艺就是走的这样一种路线。沿晶断裂是化学腐蚀的微观特征,断口表面相对平滑。许多输送化学物质的管道腐蚀穿孔的主要原因就是沿晶断裂。 疲劳断口的特征疲劳断口是在交变应力的作用下产生的。为了研究观察疲劳断口的特征,构造了如图 11-4 形式的试验装置。交变载荷力承载梁的截面图 11-4 弯曲疲劳断裂试验装置承载梁的结构情况有两种,一种是表面光滑的矩形断面梁(表面残留最后精磨加工的挤压应力);另一种是在最大应力处做了环截面应力集中沟痕的矩形断面梁。这种情况下,疲劳断裂的断口有两种: 裂源贝壳纹终断区图 11-5 表面光滑矩形断面图图 11-5 表面光滑的矩形截面断面图。特征如下: ,从存在原始缺陷处开始。疲劳断裂的裂源只有一处,一旦出现就抑制了其它裂源的产生。裂源产生后, 因为裂纹扩展缓慢,反复的张开闭合使得表面因挤压而光滑,工业现场因环境的影响, 裂源处还可能出现锈迹。 。因试验梁的外表面光滑而且残留加工的挤压应力, 因此芯部扩展快,边缘扩展慢。贝壳纹是受载荷不均匀的影响,裂纹扩展快慢变化所留的痕迹,而且随着材料承载面积的减小逐步加大。 ,当残余材料承载面积上的应力达到强度极限时,发生瞬间断裂。因此整个断面面积与终断区面积之比为零件的安全裕度。如图 11-5 ,安全裕度约为 2。终断区的宏观表象是纤维状。裂源贝壳纹终断区图 11-6 存在应力集中的矩形断面图图 11-6 是存在应力集中的矩形截面断面图。特征如下: ,与图 11-5 相同,疲劳断裂的裂源只有一处。 ,因试验梁的表面存在应力集中,裂纹扩展速度表面快于芯部。 。与图 11-5 相同,也是残余材料承载面积上的应力达到强度极限时, 发生瞬间断裂。也可以用以判别零件的安全裕度。 ,若只有一个裂源, 则表明为疲劳断裂。多个裂源则为突发性断裂。疲劳断裂有一个发展过程,是可以事先预防的,突