断口分析

故障件的断口分析

在形形色色的故障分析过程中，人们常会看到一些损坏零件的断口，但是人们缺乏“读懂”它的经验，不能从它的断口处判断其损坏的真正原因而贻误了战机。这里结合整改过程中的一些实例作些介绍，希望能对您有所帮助！

对于汽车常用碳素钢和合金钢而言，其常见断口有：

1.韧性(塑性)断口:发生明显塑性变形的断裂统称为塑性断

裂。断口形貌为韧性(塑性)断口，断口呈暗灰色没有金属光泽看不到颗粒状形貌，断口上有相当大的延伸边缘。

2.疲劳弯曲断口：

2-1 在抗拉极限范围内的疲劳弯曲断口：出现典型的疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区特征（下面将详

述）。

2-2 超过抗拉极限范围内的弯曲断口：不具有典型的疲劳断口特征，属于不正常的弯曲断裂。其断口特征：沿

弯曲方向上下呈灰褐色无金属光泽的断层；而内层呈

银灰色白亮条状新断口（见图1）。

图1

3.典型的金属疲劳断口

典型的疲劳断口定会出现疲劳裂纹源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个特征。断口具有典型的“贝壳状”或称“海滩状”。

3-1 疲劳裂纹源区：是疲劳裂纹萌生的策源地，它处于机件的表面，形状呈平坦、白亮光滑的半圆或椭圆

形，这是因为疲劳裂纹的扩展过程速度缓慢，裂纹

经反复挤压摩擦而形成的。它所占有的面积较其他

两个区要小很多。疲劳裂纹大多是因受交变载荷的

机件表面有缺陷；譬如裂纹、脱碳、硬伤痕、焊点

等缺陷形成应力集中而引起的。疲劳裂纹点在同一

个机件上可能有多处，换句话说可能有多处疲劳裂

纹源区，这需要我们去仔细解读疲劳断口。

3-2 疲劳裂纹扩展区：是形成疲劳裂纹后慢速扩展的区域。它是判断疲劳断裂的最重要的特征区。它以疲

劳源区为中心，与裂纹扩展方向垂直呈半圆形或扇

形的弧线，也称疲劳弧线呈“贝纹状”。疲劳弧

线是因机器运转时的负载变化、反复启动和停止而

留下的塑性变形痕迹线。金属材料的塑性好、工作

温度高及有腐蚀介质存在时则弧线清晰。

3-3 瞬时断裂区：由于疲劳裂纹不断扩展使机件的有效断面减小，因此应力不断增加直至截面应力达到材

料许用应力时，瞬时断裂便发生了。材料塑性大时，

断口呈暗灰色纤维状；脆性材料的断口呈结晶状。小结：

要点:

疲劳宏观断口的特征

断口拥有三个形貌不同的区域：疲劳源、疲劳区、瞬断区。随材质、应力状态的不同，三个区的大小和位臵不同。

1、疲劳裂纹源区

裂纹的萌生地；裂纹处在亚稳扩展过程中。

由于应力交变，断面摩擦而光亮。

加工硬化。

随应力状态及应力大小的不同，可有一个或几个疲劳源。2、疲劳裂纹扩展区（贝纹区）

断面比较光滑，并分布有贝纹线。

循环应力低，材料韧性好，疲劳区大，贝纹线细、明显。

有时在疲劳区的后部，还可看到沿扩展方向的疲劳台阶（高应力作用）。

3、瞬时断裂区

一般在疲劳源的对侧。

脆性材料为结晶状断口；

韧性材料有放射状纹理，边缘为剪切唇。

范例一：前稳定杆拉杆断头

最近前稳定杆拉杆在市场上出现多次短头现象，见图2

图2

其断口形状见图3.

图3

分析：由于故障里程都很短，理应不属于疲劳断裂的范畴，但从断口来看它更像2-2中所描述的超过抗拉极限

范围内的弯曲断口。引起此故障的可能因素有二：

1）在极限载荷下产生的弯曲断裂

2） 材料与工艺上的原因

首先作一简单验算（见图4）：

已知：

前稳定杆扭转角刚度

K β=5000 Nm/rad=5000/57.3=87.3Nm/度

稳定杆作用力半径 R=355mm=0.355m

当汽车满载，车轮上下跳动±100mm 时，

稳定杆的工作扭角 β=±7.5°

A=25mm

计算：

稳定杆的交变力矩 M 0= ±K β×β=±87.3×7.5°

=±655 Nm 稳定杆端头作用力 N R M

F 1844355.0655

±=±=±=

图4

拉杆AA 断面处的弯曲应力σ

233/461001.05.2184411.01.0cm N a F d M

=?=??==σ

拉杆材料为20号钢，许用应力是σ=45000N/cm 2，在极限状态

下就有可能产生断头故障，不过这还要进一步调查分析后才能下结论。

范例二。球笼驱动轴断裂原因分析

1．问题：08-02-25日一辆下线车在打力矩时在花键轴处断裂（图1）。

2．损坏件断口描述：（见图2）

1）在花键部位被拉断。

2）断口有两个区域，一为暗区（已产生的裂纹断面）；

另一为亮区（新拉裂的断面）。

3）在暗区边缘沿花键根部有一明显的淬火裂纹（因它而

扩散到整个暗区，形成断裂面）。

4）断口金相颗粒比较细小均匀，说明热处理正常。

图2

3．基本分析

1）暗区系零件中频淬火时，因花键根部出现淬裂导致

该区大面积与主体裂开。

2） 剩余的亮区部分，在M22×1.5螺旋打力矩时，承

受不了强大的轴向拉力而拉断。

4．验证计算

1）已知：材料为55号碳素钢；花键齿的根径D=φ23mm 螺纹M22×1.5 螺距 t=1.5mm

扭紧力矩 M=217±20 Nm

55号钢的屈服极限为 σs=382 N/mm 2 抗拉强度为σT=647 N/mm 2

螺纹和螺母之间的摩擦系数μ=0.15(钢—

钢)

2)验算:

螺母在用M 力矩扭紧时,计入摩擦的影响,所产

生的轴向力Q 可按以下公式计算:

d t t r

M M Q πμπ15.02+-

=

=+?-?=22

15.05.15

.115.011

2370002370002ππQ 125044 N 从断口亮区所占的面积约为A=(0.78×

222)/2=189mm 2

断口的拉应力:

σ=Q/A=125044/189=662 N/mm2

该值已达到或超过55号钢的抗拉强度［σT］

=660N/mm2

必然在打扭矩时被拉断,如果淬火时零件未出

现淬火裂纹,则断口的拉应力σ=330N/mm2,大

大小于55号钢的抗拉强度［σT］=660N/mm2,

因此是安全的。

5．结论：

损坏的样件是由于产生淬火裂纹，从而导致打扭矩时拉断。

摆臂断裂

从断口的齐整状态来看像刀切一般，只有一种因素可导致此结果。

众所周知，钢材在轧制时其金属纤维的流向与轧制方向相一致，像木板一样，平行木材纤维施加弯矩则可轻易掰断木板，垂直木材纤维施加弯矩时则很难掰断木板。

对于受力较大的底盘冲压件在落料工序编制时，一定要重视钢板流线的方向，不能与受力方向顺向，否则制成的另件就

会出现上面的尴尬。