[发明专利]一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种工程关键构件断裂失效分析方法，尤其涉及一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法。

背景技术

轴类工件是传动系统中的重要构件。该类工件的断裂失效通常会导致整个机器的故障。尤其对于大型设备，轴类工件的断裂失效可能会引起重大安全事故。因此，对断裂的轴类工件进行失效分析，并在此基础上提出措施，预防此类事故的发生，对失效事故原因鉴定、事故预防，保障工业生产的正常运行等具有重要的作用和意义。由于轴类工件在正常工况下会受到交变载荷的作用(一般为交变弯曲和扭转载荷)，由此类载荷引起的疲劳断裂成为轴类工件最常见的一种失效形式。疲劳断裂失效，是指工件在交变载荷的反复作用下，在名义应力远低于材料屈服强度的情况下而发生断裂破坏的行为。疲劳破坏过程一般包括裂纹萌生、裂纹扩展和最后瞬断三个阶段，是一种累积损伤破坏。疲劳裂纹的起裂点往往位于工件表面(常规周次疲劳破坏)或内部(超高周疲劳破坏)的缺陷处，对该类型失效工件裂纹源的分析关系到对工件断裂失效根本原因的鉴别，因而是失效分析中的重要环节。然而，由于裂纹扩展过程中，工件继续处于运行状态，断口的对偶断面会相互研磨，使得通常情况下裂纹源区出现严重的研磨痕迹，从而掩盖裂纹最初扩展的痕迹，使得裂纹源的准确位置难以分辨。

目前，在轴类工件的失效分析领域，检查断口的技术手段通常为依靠扫描电子显微镜(Scanningelectronmicroscope，SEM)的二次电子像和能量色散X射线谱(EnergydispersiveX-rayspectroscopy，EDS)的元素分析。两种技术的结合可以较好的实现对断口断裂性质的判断。二次电子像可以清晰的呈现样品表面有高低起伏的微观形貌，对断口性质的判断(例如，是脆性断口还是塑性断口；是沿晶断裂还是穿晶断裂等)具有非常重要的作用。然而对于经受了研磨损伤的裂纹源区，其原本表面高低起伏的微观形貌特征均已被磨平，通过二次电子像已很难追踪到裂纹源的准确位置。能量色散X射线谱能够从元素分析的角度辅助对轴类工件断口的分析检查。如果断口的裂纹源区是由元素的偏聚和夹杂等现象引起的，则可以通过元素分析进行辨别，以找到造成此类工件断裂的根本原因。然而，能谱检测器的分辨率较低，约为160eV，并且能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此对原子序数小于11的碳(C)、氮(N)、氧(O)等元素的分析结果并不准确，而这些元素往往是轴类工件中夹杂物含有的元素。因此，依靠二次电子像和能谱元素分析无法很好的确定轴类工件疲劳断裂断口裂纹源的位置和产生裂纹源的原因，这正是本发明所要解决的关键问题。

文献“航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂机理”只能从工件断口的二次电子像中给出疑似的裂纹源区，很难找到裂纹源的准确位置。文献“35CrMo调质齿轮弯曲疲劳断齿失效分析”只能从工件断口的宏观形貌图片和二次电子像中给出疑似的裂纹源区，很难找到裂纹源的准确位置。文中虽指出了裂纹源处存在夹杂物并提供了EDS元素分析证明，但是并没有直观的显示夹杂物存在的位置。

综上所述，分辨轴类工件断口表面裂纹源区的准确位置还没有有效的方案，而发展更加有效、直观的方法以分辨轴类工件断口表面裂纹源区的准确位置及分析其产生原因，既具有必要性又具有紧迫性。

发明内容

本发明为了解决现有技术中存在不足，提供一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法，它具有准确、清晰、直观、不损坏样品及操作简易的优点。

为了实现上述目的，本发明的技术方案为：

电子探针X射线显微分析方法在检测轴类工件断裂失效裂纹源中的应用。

一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法，包括如下步骤：

1)样品前处理：对样品进行切割后，对样品断口进行清洗，保护断口表面不被破坏；

2)利用电子探针X射线显微分析仪对样品断口进行背散射图像采集；对背散射图像反映出的灰度不同的区域进行波谱元素定性分析，确定断口起裂区附近表面不同特征区域的主要成分；根据背散射图像及元素定性分析结果，对断口表面疑似起裂区位置进行微区元素面分析；根据工件断口的背散射图像及元素面分析结果，识别断口起裂点的准确位置及产生原因。

优选的，步骤1)中，预处理后的样品的厚度为10-15mm，样品的长和宽均小于50mm。切割好的样品可以放置在仪器的检测台上，方便检测。

优选的，步骤1)中，对样品断口进行清洗的方法，包括如下步骤：首先用有机溶剂对断口表面进行超声清洗10-15min。清洗后的断口更容易进行识别。