電池端極柱斷裂失效分析

文/王杜友

一、失效分析的目的及意義

1. 失效分析的目的

失效分析的目的大概分為以下幾個(gè)方面：

以提高產(chǎn)品質(zhì)量為目的，找出造成機(jī)械產(chǎn)品失效的原因以及影響因素，提出改進(jìn)措施，防止同類失效現(xiàn)象的重復(fù)出現(xiàn)；

以技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改進(jìn)、技術(shù)進(jìn)步為目的的失效分析；

以劣質(zhì)產(chǎn)品的確定和處理為目的的失效分析；

為進(jìn)行修復(fù)而做的失效分析，它可以決定維修的可能性、技術(shù)和方法，從而提高維修的質(zhì)量、速度和效益；

以仲裁失效事故為目的的失效分析，確定事故責(zé)任方，為開展技術(shù)保險(xiǎn)業(yè)務(wù)提供可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)。

2 . 失效分析的意義

失效分析具有顯著的經(jīng)濟(jì)意義，能夠促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，可以預(yù)防、預(yù)測(cè)重大事故的發(fā)生。同時(shí)，失效分析還是產(chǎn)品質(zhì)量管理的重要環(huán)節(jié)。失效分析的經(jīng)驗(yàn)是新產(chǎn)品開發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)的重要依據(jù)。開發(fā)規(guī)劃和設(shè)計(jì)是決定產(chǎn)品質(zhì)量的兩個(gè)重要因素。由于規(guī)劃和設(shè)計(jì)差錯(cuò)在產(chǎn)品失效案例統(tǒng)計(jì)分布中的比例較大，現(xiàn)代的機(jī)械設(shè)計(jì)和質(zhì)量管理要求對(duì)產(chǎn)品做APQP(先期產(chǎn)品品質(zhì)規(guī)劃)、DFMEA(設(shè)計(jì)失效模式分析)、PFMEA(生產(chǎn)過程失效模式分析)等，就是運(yùn)用失效分析的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)去分析審查設(shè)計(jì)方案中是否存在某些會(huì)導(dǎo)致失效的因素及一旦失效后又會(huì)產(chǎn)生何種程度的危害，根據(jù)這種分析去修改設(shè)計(jì)方案，把失效因素在產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)就消除或減少。

失效分析是對(duì)質(zhì)量控制系統(tǒng)的實(shí)地檢驗(yàn)。如產(chǎn)品在使用過程中頻頻發(fā)生失效，說明原來確定的質(zhì)量控制系統(tǒng)在某些環(huán)節(jié)上還存在問題和漏洞。失效分析可根據(jù)失效現(xiàn)象找出失效的原因，提出應(yīng)當(dāng)從哪些方面去調(diào)整、增強(qiáng)和改進(jìn)質(zhì)量控制系統(tǒng)。

失效分析的經(jīng)驗(yàn)是評(píng)定產(chǎn)品缺陷安全的最佳參考依據(jù)。產(chǎn)品在加工制造過程中，不論質(zhì)量控制系統(tǒng)如何嚴(yán)格，也難免會(huì)產(chǎn)生缺陷，這些缺陷通過失效分析積累的經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)來判斷對(duì)產(chǎn)品的功能會(huì)產(chǎn)生何種影響，可分為危險(xiǎn)缺陷、可修復(fù)缺陷、無害缺陷。這種以失效分析經(jīng)驗(yàn)和知識(shí)為依據(jù)的缺陷安全度分析，即可避免盲目報(bào)廢、節(jié)約大量材料、工時(shí)和成本，又可保證產(chǎn)品的安全使用。

二、失效端極柱金相檢驗(yàn)

1. 極柱斷口宏觀形貌，如圖2-1所示。

圖2-1 斷裂極柱樣品照片

從極柱斷裂處的宏觀形貌來看，極柱內(nèi)部存在組織疏松、腐蝕、縮孔等缺陷。斷裂的極柱多為正極柱，斷裂部位基本處于電池中蓋極柱孔的下邊緣附近。另外，斷裂部位不排除有細(xì)小裂紋和變形內(nèi)應(yīng)力的存在。

2 . 斷裂極柱內(nèi)部金相檢驗(yàn)

分別對(duì)失效端極柱進(jìn)行橫切和縱切做極柱內(nèi)部金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果如圖2-2～5所示。

圖2-2 極柱正常金相組織（橫切）

圖2-3 極柱表層大晶粒柱狀晶區(qū)（橫切）

圖2-4 極柱縱切金相組織結(jié)構(gòu)

圖2-5 極柱縱切金相組織結(jié)構(gòu)

圖2-6 極柱斷口橫切沿晶腐蝕形貌

圖2-7 極柱斷口橫切大晶粒腐蝕形貌

從圖2-2～5可以看出，極柱內(nèi)部局部顆粒較細(xì)小均勻，屬于典型鉛錫合金金相結(jié)構(gòu)，而從斷裂極柱內(nèi)部整體狀況來看，晶粒大小、分布不均勻，極柱表層有直長(zhǎng)的粗大柱狀晶區(qū)存在。

3. 失效極柱斷口金相檢驗(yàn)

對(duì)失效端極柱斷口分別進(jìn)行橫切和縱切做金相組織檢驗(yàn)，結(jié)果見圖2-6～9。

從圖2-6～9斷口的腐蝕形貌可以看出，極柱的腐蝕是沿大晶界開始并伴隨晶粒的均勻性腐蝕。

三、結(jié)論及原因分析

由于端極柱澆鑄過程中存在組織疏松、夾雜、縮孔、細(xì)小裂紋等缺陷，在電池充放電過程中氧、硫酸電解液的作用下形成沿晶腐蝕。另外，電流通過極柱時(shí)發(fā)熱，隨腐蝕的加劇，極柱內(nèi)阻不斷增大，形成惡性循環(huán)，從而加速了極柱的腐蝕速度。

圖2-8 極柱斷口縱切沿晶腐蝕

圖2-9 極柱斷口縱切沿大晶界腐蝕形貌

由于極柱澆鑄時(shí)鉛鍋溫度、模具溫度、冷卻速度等不合理、合金元素配比等原因，使?jié)茶T后極柱的金相結(jié)構(gòu)中晶粒和晶界產(chǎn)生了大小不均、晶界較粗大的現(xiàn)象，特別是極柱表層粗大柱狀晶區(qū)的存在，更加速了極柱腐蝕的進(jìn)程。

柱狀晶區(qū)的性能具有方向性，極柱表層柱狀晶區(qū)的存在，降低了極柱的機(jī)械加工性能。在實(shí)際的現(xiàn)場(chǎng)操作過程中極柱受到外力的擠壓、碰撞出現(xiàn)了側(cè)彎，如果強(qiáng)行掰直勢(shì)必會(huì)影響極柱的機(jī)械性能，使極柱內(nèi)部產(chǎn)生了過大的內(nèi)應(yīng)力，同時(shí)對(duì)合金的金相組織也產(chǎn)生了破壞。

在以上綜合因素的作用之下，便加快了端極柱腐蝕的速度，最終導(dǎo)致了極柱的斷裂失效。

[1] 金相檢驗(yàn).機(jī)械專家網(wǎng).www.MechNet.com.cn P258-271.

[2] 王杜友.澆鑄板柵筋條晶區(qū)的形成及組織特性[J].電動(dòng)自行車，2015.1：49-50.