(2.17)--21材料失效分析金属构件失效分析.ppt

材料失效分析课程作业球墨铸铁曲轴断裂失效分析案例背景01断口宏观形貌02化学成分分析与硬度测试03断口扫描电镜分析04CONTENTS显微组织分析05滚压力与残余应力分析06分析讨论07结论08案例背景01案例背景01案例简介：曲轴是汽车发动机最重要的零件之一，运转中的受力情况非常复杂，承受着弯曲、扭转和压缩等载荷的作用。这些载荷不仅数值较大，而且一般呈周期性变化，容易引起曲轴的扭转和弯曲变形，甚至产生裂纹和断裂。某汽油发动机曲轴材料使用球墨铸铁，台架试验263h后于拐径转角处发生开裂(要求621h不开裂)，停机后发现曲轴轴颈处有裂纹。该曲轴材质为QT7002，强化工艺为轴颈感应淬火+圆角沉割槽滚压。开裂区开裂区断口宏观形貌02断口宏观形貌02 断裂曲轴为四缸曲轴，有4拐，拐径约为40mm，总长约440mm。肉眼观察发现整个沟槽滚压面较平整，无明显的毛刺、刀痕等机加工缺陷。曲轴开裂处外观如图a所示。将裂缝打开得到断面，如图b所示，可见裂面中间段沿转角滚压面分布，约达14周长，裂面两侧则沿平行切线方向扩展，断面上存在明的贝壳状花样，由箭头所指沟槽处起始，放射状扩展。边缘起始区有多条台阶且光亮，表明其为先期开裂，扩展区相对比较平坦，宏观疲劳条纹清晰，断面两侧则相对粗糙，呈相对高应力下终断形态。对起始区作进一步观察，可见该处高低不平，有多条明显径向台阶，表明疲劳开裂为多源起始,如图c所示，该区域附近未见明显的机械损伤现象。图a起始区图b图c贝纹线化学成分分析与硬度分析03化学成分分析与硬度分析03元素名称CSSiMnPCuMg技术要求3.6-4.10.0351.6-2.40.4-0.60.0350.6-0.80.02-0.08检测值3.720.012.210.550.030.650.038 对失效曲轴进行化学成分分析，采用光谱法检测，结果球墨铸铁曲轴的化学成分符合GBT1348一l988球墨铸铁件标准。从结果看曲轴材料成分符合要求，有害元素S、P含量较低。在曲轴截面上进行硬度测定(HBW 5750)结果为：240、243、244HB，均满足设计要求。断口扫描电镜分析04断口扫描电镜分析04断面起始区及周边形貌：断面起始区的低倍形貌如图a所示，可见断面较平滑，断面附近表面上存在较多裂纹状缺陷。高倍观察该区域断面，可见其表面存在平行分布的疲劳扩展条纹，如图b所示。而断面附近表面的裂纹与表面呈斜向分布，如图c所示。图a图c图b裂纹状缺陷疲劳扩展条纹断口扫描电镜分析04断面扩展及终断区：断面扩展区形貌如图a所示，可见断面较平坦。高倍下可见片状珠光体断裂的准解理形貌，如图b所示。终断区较粗糙，如图c所示。高倍下可见解理状断面，球状石墨散布其间，如图d所示。图a图b图c图d解理台阶舌状花样球状石墨准解理显微组织分析05显微组织分析0501起始区截面起始区石墨分布形貌如图起始区石墨分布形貌如图a a所示，图右上侧为断面，左上侧为沟槽表面。所示，图右上侧为断面，左上侧为沟槽表面。可见断面上存在可见断面上存在二次裂纹，与断面平行分布二次裂纹，与断面平行分布。沟槽表面处存在一裂纹，。沟槽表面处存在一裂纹，垂直表面向内扩展，长约垂直表面向内扩展，长约300m300m。该区域域。该区域域石墨大小可评为石墨大小可评为5 5级级，球化级球化级别可评为别可评为2 2级级，经浸蚀后，可见组织为，经浸蚀后，可见组织为珠光体和铁素体珠光体和铁素体，珠光体数量可，珠光体数量可评为评为(珠珠85)85)，如图，如图b b所示。所示。在断口附近切割取样并进行显微组织观察。结果显示，石墨大小及球化率均满足要求，对试样浸蚀后发现，珠光体和铁素体数量分布也满足要求，未发现明显的夹杂、疏松等铸造缺陷。二次裂纹裂纹显微组织分析0502扩展区截面扩展区扩展区石墨石墨分布形貌分布形貌如图如图a a所示，图上方为断面，可见所示，图上方为断面，可见断面较平齐断面较平齐，该区域，该区域石墨大小可评为石墨大小可评为5 5级，球化级别可级，球化级别可评为评为2 2级级，经浸蚀后，可见组织为，经浸蚀后，可见组织为珠光体和铁素体珠光体和铁素体，珠，珠光体数量可评为光体数量可评为 (珠珠85)85)，如图，如图b b所示。所示。滚压力与残余应力分析06滚压力与残余应力分析06 根据失效零件的电镜照片，比较了未失效曲轴的相同位置，发现失效零件的沟槽处经滚压后比未失效的相对粗糙，在较高倍数下可见较明显的机加工毛刺，这些毛刺是造成该处萌生裂纹的原因之一。滚压处理的主要目的即消除毛刺，减少应力集中。为了进一步研究滚压力与残余应力之间的关系，分别选取了两家(分别用A和B代称)不同的设备和工艺进行两两交互，进行对比试验。测试方法均为x射线 衍射法，试验共4组数据，分别为A机加工+B滚压、B机加工+B滚压、B机加工+A滚压和A机加工+A滚压、所有样品均取自实际试验后的曲轴。其中A滚 的曲轴试验结束后均未发生断裂或产生裂纹，B滚压的曲轴均为断裂曲轴。由于压应力测量值为负数，为表达方便，下文中的残余应力值均为其绝对值。（结果见下页）滚压力与残余应力分析06A滚压残余压应力范围均大于200MPa；B滚压残余压应力范围在90-230MPa。0mm处A滚压残余压应力范围在215-240MPa；B滚压残余压应力范围在20-100MPa。0.05mm处A滚压残余压应力范围在260-285MPa；B滚压残余压应力范围在60-160MPa。0.1mm处A滚压残余压应力范围均大于360MPa；B滚压残余压应力值除了在0.7mm处之外，均小于400MPa。0.3-0.7mm处分析讨论07分析讨论071TITLE2TITLE3TITLE4TITLE 由由断口断口的的扫描电镜扫描电镜分分析析结果知结果知，该曲轴轴颈，该曲轴轴颈处处开裂为开裂为多源多源疲劳开裂疲劳开裂。疲。疲劳开裂的启动主要与轴颈劳开裂的启动主要与轴颈部沟槽表面的相关。部沟槽表面的相关。当曲当曲轴轴颈处于轴轴颈处于细微缺陷及较细微缺陷及较高应力高应力较高应力条件下，较高应力条件下，加之应力集中效应，对于加之应力集中效应，对于表层表层微观缺陷微观缺陷必然必然十分十分敏敏感，即感，即裂纹尺寸门槛裂纹尺寸门槛值较值较小小 。由由金金相分析相分析可可看到，看到，曲轴轴颈转角区域石墨形态曲轴轴颈转角区域石墨形态及石墨及石墨分布分布无无明显异常明显异常，也，也未发现未发现异常的异常的基体组织及基体组织及分分布，布，球化球化率、铁素体率、铁素体和珠光和珠光体体的比例等的比例等都满足设计都满足设计要求。要求。由硬度测定结果可知，由硬度测定结果可知，基体基体硬度符合相关技术要求。硬度符合相关技术要求。由由宏观及微观组织宏观及微观组织分分析析可知，可知，开裂开裂起始区未见有起始区未见有引发开裂的冶金缺陷，但引发开裂的冶金缺陷，但可可见机加工留下的表面微观见机加工留下的表面微观破破裂裂现象现象，均布，均布于于转角面转角面上上。结合轴颈结合轴颈处处应力状态，显然应力状态，显然表面微观缺陷扩展的启动主表面微观缺陷扩展的启动主要与应力分布及应力大小有要与应力分布及应力大小有关关。结合结合扫描电镜分析扫描电镜分析可见，断裂曲轴轴颈转角区可见，断裂曲轴轴颈转角区域均可见域均可见鱼鱼鳞状鳞状表面破裂表面破裂，但有的启动开裂，有的延伸但有的启动开裂，有的延伸成微裂纹，有的未见扩展。成微裂纹，有的未见扩展。这就这就需要在机加工沟槽处进需要在机加工沟槽处进行行滚压处理时，除了尽量减滚压处理时，除了尽量减少机加工刀痕和毛刺少机加工刀痕和毛刺，对对滚滚压力和滚压道次也进行充分压力和滚压道次也进行充分地优化。优化机加工和滚压地优化。优化机加工和滚压工艺后，未再发生断裂问题。工艺后，未再发生断裂问题。结论08结论08（1 1）曲轴的断裂模式为）曲轴的断裂模式为多源疲劳开裂多源疲劳开裂，起源，起源区域区域并没有并没有明显的明显的铸造或冶金铸造或冶金缺陷，缺陷，但在轴但在轴颈颈沟槽沟槽处处存在一定的机加工存在一定的机加工刀痕及毛刺刀痕及毛刺，在，在后期曲轴服役期间诱发因后期曲轴服役期间诱发因应力集中效应导致应力集中效应导致的开裂。的开裂。（2 2）失效曲轴的硬度、金相均无明显异常，失效曲轴的硬度、金相均无明显异常，石墨石墨形态形态及分布及分布 、球化率、铁素体和珠光体、球化率、铁素体和珠光体的比例等均满足设计要求。的比例等均满足设计要求。（3 3）轴颈轴颈机机加工之后的加工之后的滚压滚压是曲轴非常重要是曲轴非常重要的工艺，的工艺，应应确保该处有确保该处有正常的正常的残余残余压应力压应力，一，一方面可以方面可以提高提高轴颈处的疲劳寿命轴颈处的疲劳寿命，另一方面可，另一方面可以以减少机加工后刀痕及毛刺减少机加工后刀痕及毛刺造成造成的的应力集中，应力集中，避免避免为为微裂纹的微裂纹的形成和形成和扩展创造条件。扩展创造条件。（4 4）曲轴轴颈在发动机曲轴轴颈在发动机运转运转过程中过程中受受力最大，力最大，其其圆角处是曲轴应力集中最严重圆角处是曲轴应力集中最严重的的部位部位，在工作，在工作中中处于处于弯曲应力和扭转应力的双重作用下，曲轴弯曲应力和扭转应力的双重作用下，曲轴的失效，的失效，尤其是尤其是疲劳破坏一般疲劳破坏一般发生发生在曲轴轴颈和在曲轴轴颈和曲柄曲柄连接的过渡圆角连接的过渡圆角处。处。参考文献1 冯继军，郭文芳 汽车发动机曲轴常见的失效形式及原因分析J失效分析与预防，2006，2(1)；7-122 钟晓斌，董琪，史传岳，等球墨铸铁曲轴断裂原因分析J铸造工程，2014，38(6)；32-343 赵红兵，郭晨海曲轴圆角滚压残余应力的分布研究J小型内燃机与摩托车，2012，41(2)；33-364陈富强球墨铸铁曲轴断裂失效分析金属热处理，2011，36(12)；124-1265周先忠，孙军球墨铸铁曲轴断裂失效分析内燃机与动力装置，2014，31(1)；47-506陈鹭滨，秦可农用车发动机球墨铸铁曲轴断裂失效分析山东机械，2001，(5)；15-16感谢观看！