三步驟簡易分析法在失效分析中的使用

吳藝波，李志宏，王瀚毅

（廣東產品質量監督檢驗研究院，廣東佛山 528300）

0 引言

機械產品喪失其應有功能的現象稱為失效[1]。機械產品在實際制造和使用中，材料損傷和缺陷是不可避免的[2-3]。失效分析為目前的一門新興學科，其主體思想為根據工件失效行為與表現現象來通過有損或無損分析找出相應的失效原因，推演出失效機理[4]，并通過相應的機理來進一步分析改進工件的相應工藝。而目前在廠家的實際生產過程中并不具備相應的失效分析設備與手段，基于此種現象本文提出針對工件的簡易三步驟分析法來快速評價零件失效原因及改進工藝，以期通過最簡易、快速、高效的手段來考評失效產生的原因，從而提出改進工藝。

簡易三步驟分析法主要針對金屬零件的失效分析，其程序為：（1）觀察斷裂失效斷口考評其斷裂方式；（2）對斷裂附近的試樣進行成分分析是否符合要求，以評價其原材料是否符合要求；（3）對金相及硬度進行測試及觀察其是否符合熱處理要求。其具體流程圖見圖1。

螺桿在工作時發生斷裂，通過拆下觀察，發現螺桿從螺桿中較細的部位發生斷裂，其余部位完好。該螺桿材料為42CrMo，工作溫度維持在280℃～300℃，在使用前樣品經過調質→中頻表面淬火→鍍鉻的熱處理工序。

圖1 失效分析簡易三步驟分析法流程圖

圖2 斷裂位置圖示(箭頭所示)

1 檢測樣品使用情況及斷口宏觀分析

檢測樣品的斷裂情況與部位如圖2、圖3所示，其箭頭所指為斷裂位置，對于全部設計圖與局部放大細節圖比較，斷裂部位為螺桿中較細的部位。

圖3 實際斷裂情況（箭頭所示）

檢測樣品的斷口宏觀形貌圖如圖4所示：斷口方向為垂直于軸向橫切面斷裂，斷口整體較為平整，邊緣略呈現凹陷狀，整個端面分布有同心圓狀花紋，其塑性變形痕跡較為明顯。縱觀斷口形貌，未見顯著疲勞斷裂裂紋源與裂紋擴展區，亦未觀察到脆性斷裂特征區域[5]。

圖4 宏觀斷面形貌

2 樣品化學成分分析及硬度檢測

2.1 化學成分檢測

本樣品的制造材料為42CrMo依據國家標準GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中所示，應符合表1的規定。

表1 42CrMo的化學成分范圍

本次檢測樣品取樣經由直讀光譜儀檢驗，化學成分符合國家標準GB/T 3077-2015《合金結構鋼》中所規定的值，結果如表2所示。

表2 檢測樣品的化學成分

2.2 硬度檢測

因為本次檢測委托方未能提供檢測樣品交貨設計硬度值，而硬度值指標可間接反應熱處理工藝是否符合要求，本測試取與斷面平行的端面硬度，編號1～5所示點為端面中心點至試件外緣依次取點，所選硬度標尺為HBW2.5/187.5。

表3 檢測樣品硬度結果

3 金相分析

3.1 非金屬夾雜物形貌

夾雜物樣品取自圖5所示的1、2部位。1、2部位其夾雜整體量比較少，尚未發現大尺寸夾雜物，也無明顯的材料缺陷。在橫縱面均未發現有大尺寸及大量分布的夾雜物。其具體圖像見圖6、7所示。

圖5 金相組織及夾雜物試樣取樣位置

圖6 標號1部位橫向夾雜物100

圖7 標號2部位縱向夾雜物100

3.2 顯微組織形貌[6]

顯微組織樣品取樣部位同上為1、2部位，其金相組織為回火索氏體，其金相組織為調質組織，其中表面有馬氏體分解結構痕跡，符合廠家提供的調質→中頻表面淬火→鍍鉻的熱處理工序。其具體形貌見圖8、9。

圖8 標號1部位樣品顯微組織200

圖9 標號1部位樣品顯微組織500

4 結果[7-8]

（1）經化學成分分析，樣品材料符合42CrMo的成分要求。最終產品的硬度整體較為均勻，且整體硬度為210HBW2.5/187.5至250 HBW2.5/187.5之間。

（2）樣品最終熱處理顯微組織為回火索氏體+表面部分馬氏體，符合委托方熱處理工藝。

（3）觀察表明，斷口未出現明顯的疲勞斷裂源位置的特征。斷口應為過載裂紋出現后繼續承受應力反復磨合所致。

結合上述測試及委托方提供的信息分析，樣品斷裂的最大可能為強應力作用所致：如過載、未熱機啟動、裝配不當等情況。

5 總結

本文中針對工作現場中可能出現的失效分析情況，相應的提出了一種“三步驟簡易分析法”并對該分析方法進行了熔膠螺桿失效的案例分析。由失效的定義可知，失效的判據及最終目的是依據的功能的喪失形式而判定與在現有分析基礎上查找導致功能喪失的原因。因此，失效的原因及種類的快速判定在實際的生產中更具意義。

［1］鐘群鵬.失敗（失效）是成功（安全）之母［A］.全國工模具失效分析與改性技術交流會論文集［C］.2002年10月北京.

［2］查利R布魯克斯，謝斐娟，孫家驤譯.工程材料的失效分析［M］.北京：機械工業出版社，2003.

［3］胡世炎.機械失效分析手冊［M］.成都：四川科學技術出版社，1999.

［4］孫維連，陳再良，王成彪.機械產品失效分析思路及失效案例分析［J］.材料熱處理學報，2004，25 （1）：69-73.

［5］蘇錫九.金屬材料端口分析及圖譜［M］.北京：科學出版社，1991.

［6］馮曉曾.模具用鋼及熱處理［M］.北京：機械工業出版社，1984.

［7］孫維連，王成彪.3Cr2W8V鋼熱鍛模具淬火開裂原因分析［J］.金屬熱處理，2003，28（6）：52-54.

［8］劉正義.機械裝備失效分析圖譜［M］.廣州：廣東科技出版社，1990.