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失效分析 | 机械零部件缺陷与鉴别技术详解(4月27日)

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导读:2021年2月,日本汽车零部件巨头曝大规模造假,约有11.4万件产品存在伪造刹车装置及其零部件的检查数据,引发网友热议和消费者信任危机。为帮助汽车零部件生产、质控与研究人员及时发现零部件缺陷,避免不合格产品流向市场,本文我将带领大家认识汽车零部件缺陷类型及危害,以及常用缺陷鉴别技术。如有不当,欢迎批评指正。点击下图可参加直播!
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汽车由数以万计零部件组装而成,零部件是汽车发展的基础和重要组成部分,其性能优劣直接影响整车性能的优劣。核心零部件一旦出现质量问题,会给驾乘人员带来极大的安全隐患,因此汽车零部件检测对整车安全性起着至关重要的作用。 首先让我们来认识一下汽车零部件缺陷的类型。
一、汽车零部件缺陷类型 
汽车零部件从设计图样到制品,要经历一系列工艺流程,详见下图中7个节点。该流程中存在众多复杂因素,极有可能形成某种缺陷,若这些缺陷未被检测发现,或检测手段落后而发现不了,抑或技术标准不合理等,使得原本不应该流入市场的不合格品成为商品,从而成为在后续装配服役过程中失效的潜在因素。 
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图1 汽车零部件工艺流程 
汽车零部件常见缺陷可以分为:设计缺陷材料缺陷制造工艺缺陷。如近日央视315晚会曝光的某品牌汽车,则是由设计缺陷导致变速箱腐蚀失效。
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图2 某品牌汽车变速箱腐蚀形貌 
以轴承和螺栓为例,其工艺流程如图3所示,复杂的工艺流程导致制造工艺缺陷呈现多样性,图4为不同制造工艺所对应的不同缺陷类型。产品出现质量问题,通过检测技术对缺陷类型进行表征,分析缺陷具体形成环节,往往是解决问题的基础。
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图3 汽车零部件工艺流程复杂导致缺陷的多样性
图4 制造工艺及对应缺陷 
下面以螺栓失效为例,选取原材料、设计、热处理、机械加工和装配工艺不同因素导致失效的案例,对缺陷检测技术应用进行阐述。
表1 螺栓失效案例
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案例1:原材料缺陷(节点连接螺栓表面缺陷分析)
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案例2:设计不当(手动调整销延迟性断裂原因分析)
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案例3:热处理缺陷(柴油机缸盖螺栓氢脆断裂) 
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案例4:机加工缺陷——M16螺栓疲劳断裂原因分析 
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案例5:装配工艺不当——某地铁齿轮箱吊杆螺栓断裂 
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汽车零部件缺陷的危害 
汽车零部件缺陷危害极大,往往会影响零件使用可靠性,降低零件的力学性能,造成应力集中,促进氢脆与应力腐蚀等。缺陷与失效分析的关系(从废品、不合格品、商品三个角度)如下:
  • 1. 产品出厂前制造工艺过程中的废品分析,是由缺陷直接引起的失效;

  • 2. 因质量管控手段不足,使得原本不应流入市场的不合格品进入市场,并且其所含制造缺陷导致产品失效,是由缺陷直接或间接引起的失效;

  • 3. 产品设计、装配工艺或维护工艺不当导致的失效,则与缺陷无关。

以上是我围绕汽车零部件的常见缺陷以及缺陷的危害进行阐述,以期为汽车零部件生产、质控与研究人员提供分析思路。接下来,我将详细阐述汽车零部件的常用缺陷鉴别技术。
二、汽车零部件常用缺陷鉴别技术
1、金相检测技术 
  • 金相分析技术是失效分析中最重要的方法,主要分为以下几个方面:

  • 低倍组织缺陷评定 

  • 锻造流线检测 

  • 分析样件

  • 显微组织是否符合标准/预期要求

  • 评定非金属夹杂物级别 

  • 测定晶粒度 

  • 脱碳层检测 

  • 渗碳层检测 

  • 判断裂纹类型(淬火裂纹?锻造裂纹?) 

  • 确定裂纹扩展方式(穿晶?沿晶?)

  • ....... 
案例1:金相检测实例——低温冲击功不合格原因分析 以下钢板的3个试样中,一个试样低温冲击功不合格,而其他两个试样合格。检测人员通过观察其冲击试样金相组织,发现钢板在板厚发现存在严重的珠光体条带现象,这是造成低温冲击性能不达标和冲击性能值波动较大的主要原因。
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2、无损检测——(重点介绍X射线无损检测技术)
无损检测采用传统的射线照相检测(RT)、射线数字成像检测(DR)及机算机断层扫描技术(CT)技术,在对被检测物体无损伤的条件下,以平面叠加投影或二维断层图像的形式,清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况。射线检测技术在缺陷表征中的应用主要有以下5个方面:
(1)缺陷的识别 
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(2)缺陷尺寸测量 
(3)三维重建及缺陷提取(可以对材料内部缺陷三维重构,表征缺陷形状和分布) 
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(4)不拆解情况下内部结构分析 
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(5)不拆解情况下装配分析 
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3、化学成分分析 
材料化学成分分析主要用于排查设计选材是否不当,存在以次充优或以假乱真。
4、力学性能 
为什么要做力学性能测试?
  • 根据失效分析的目的、要求及可能性,对硬度、室温拉伸、冲击、弯曲、压扁、疲劳及高温下的力学性能等进行测定(不破坏主要失效特征);
  • 评定失效件的工艺与材质是否符合要求;
  • 获得材料抵抗变形或断裂的临界值。

力学性能不合格的常见原因:
  • 热处理工艺不当;
  • 取样位置或取样方式不当;
  • 材料偏析严重。

5、断口分析技术(断口分析三板斧) 
通过断口的形态分析,可以研究断裂的一些基本问题:如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。因此,断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。
断口记录了从裂纹萌生、扩展直到断裂的全过程,是全信息的。断口可以说是断裂故障的“第一裂纹”,而其他裂纹可能是第二甚至第三生成的。第一与第二裂纹的模式、原因和机理有时是相同的,有时是不同的,也就是说裂纹有可能只记录了断裂后期的信息,因此断口分析在断裂事故分析中具有核心的地位和作用。
断口有时是断裂失效(事故)唯一的“物证”人证有时是不可靠的,只能作为辅助信息或证据。
利用现代分析技术和方法断口包含的信息是可以“破译"的,析断口可以获取失效的信息。
如何进行断口分析?
  • 第一板斧:按图索骥 

提供典型断口宏观照片,学习断口形貌特征,可以独立判断断口类型。
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第二板斧:顺藤摸瓜 
寻找到断裂的源头是整个分析的重中之重,否则后期的分析将成为无本之本。
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第三板斧:一叶知秋
从一片树叶的掉落,可以预知秋天的到来。断口的微观和宏观信息也同样存在一定联系,通过断口微观特征观察也可以进一步验证宏观检查的判断结果。
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综上,断口分析技术可以归纳为以下三点:
  • 按图索骥,预判断口类型;

  • 顺藤摸瓜,寻找断裂源头;

  • 一叶知秋,微观佐证宏观

三、我的螺栓失效公开课
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作者:潘安霞 仿真秀专栏作者,中车戚墅堰机车车辆工艺研究所有限公司失效分析高级工程师,现任全国机械工程学会失效分析分会委员、中国中车技术专家,中车计量理化培训讲师,主要从事轨道交通行业齿轮、紧固件、弹簧等关键零部件失效分析研究工作,著有。《紧固件失效分析与案例》
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通用疲劳断裂结构基础试验标准解读其他软件
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首次发布时间:2021-05-04
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