机械装备失效分析小课堂——断口取样大作战

理化检验物理分册 2020-10-22 11:34:05



上几节小课堂,我们已经为大家介绍了断口类型,今天就让我们来看看如何对断口进行取样吧!




断口的现场取样


1. 现场勘查



发生断裂(开裂)失效事故后首先要赴现场进行现场勘查,掌握第一手资料。


到事发现场后先进行大范围勘查,然后再聚焦到肇事失效件周围的小范围。



2. 制定方案



要观察和断裂(开裂)件关联构件的情况,注意断裂(开裂)件的方位和具体位置,观察周围有无异常,靠近断口的区域有无刮擦痕迹,有无碰伤、变形,颜色上有无变化等,要将这些信息用相机记录下来,若条件许可则尽可能采用比例拍照,然后再制订断口的切取方案。



3. 取样注意点



切取断口时应首先考虑冷切割,切割时要避免受到腐蚀。若受条件限制只能采用火焰切割等热切割方式时需留足加工余量,边距一般≥40mm,避免断口或其它检测样品受到切割热的影响。


现场取样时还要考虑满足其它检测项目的试样要求,要尽量保证断口的完整性,相匹配的两部分尽量都要取到。若现场勘查后不能立即取样,应对断口进行保护,避免断口受到腐蚀和二次损伤。


断口切取后要妥善处理和保护,不要立即清理断口,要防止断口在运往实验室的过程中受到二次损害。



断口的实验室处理


1. 小断口样品:



断口样品取回实验室后,要对断口原貌进行整体比例拍照,对断口上每一个细节都要进行仔细观察和拍照,包括断口上的污染物,氧化锈蚀等,必要时还要提取断口的异物留作辅助分析使用(如XRD,EDS,XPS分析等),这些工作完成后,方可清洗断口。


清洗断口的原则是不破坏断口的原貌,如清洗轴承、钢丝绳等存在厚重油污的样品时可先选用航空煤油,并用柔软的毛刷进行反复刷洗;断口污染程度较轻时可采用丙酮或超声波清洗。若断口长期处于雨水环境中并受到了严重的氧化腐蚀,可采用醋酸纤维酯进行多次处理。


举例:


材料为20MnTiB的高强度螺栓规格为M24,强度等级为10.9级,其服役地点为印度尼西亚沿海地带,气候较为潮湿、闷热。同批次投入使用的螺栓大约有30万套,螺栓服役20个月时经检查发现有螺栓断裂现象。


刚收集到的螺栓断口氧化锈蚀比较严重,但经过多次醋酸纤维酯处理后,断口上的放射纹路也清晰的显现出来,微观观察时也清晰地观察到了沿晶晶面上的细微特征,见图1。


事实上氧化腐蚀和厚重的异物覆盖也是某种失效特有的断口特征,如应力腐蚀断口,高温蠕变断口,热疲劳和腐蚀疲劳等,具体分析时不必要非得清理掉这些异物覆盖层,可采用其它分析手段进行间接的断口分析;若一定要清理掉这些异物,可采用电解方法,或采用化学试剂等进行处理,但使用这些方法时必须先把对分析失效原因有价值的信息全部采集后才可进行这些操作。




图1(a)刚收集到的断口,(b)清理后的断口宏观形貌,(c)清理后的断口微观形貌



2.大断口样品:


用相机对断口上的所有特征进行比例拍照覆盖物取样,对断口进行粗略处理后再次做宏观观察


根据断口的宏观特征对断口进行切割规划,对各区域断口进行编号设计分析取样方案,绘制取样图,然后再将大断口切割成可放入仪器观察的小样品。


分割断口样品时首选线切割,其次为锯,尽量不选用砂轮切割和火焰切割,避免断口上的有用信息受到损害,或影响断口附近的组织和性能分析。


举例1:


图2是一个失效齿轮相匹配的两个断口,断口轮廓尺寸约为488mm×395mm,分析时先对样品做整体规划并编号,然后再利用线切割进行加工。



图2(a)断口分析和力学性能分析样品,(b)金相分析和应力分析样品


举例2:


在处理一起重要的跨国失效分析案例中,因样品所在的企业实验室采用砂轮片切割失效的齿轮轴,这就意味着将会有3-5mm宽的断口样品会被砂轮片磨成碎屑而损耗。


事实上现场将整个裂纹面打开后,断裂面上的种种宏观特征均表明断裂起源处正好位于砂轮片的切割线上,但却始终没有找到引起断裂的直接物证。


最后在场的技术人员一致认为:断裂源处的缺陷被砂轮片“吃掉了”…不合适的断口切割方法,人为造成珍贵的断口信息证据丢失,着实让人感到遗憾和惋惜。


To be continued…



节选自:《理化检验—物理分册》 Vol.52 2016.10

作  者:王荣,教授级高工,上海材料研究所