黄建明实战案例专栏 | 【案例21】寻找疲劳裂纹源头的分析步骤

文章来源:微信公众号:航空无损检测
21 寻找疲勞裂纹源头的分析步骤
   

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能检测出在萌生时的小疲劳裂纹來,就可以及时地避免事故的恶化和发生,如果不能检测出裂纹的源头是不能真正消除隐患和解决问题的,这是非常关键的问题也是NDT人员应有的职责。



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实战案例专栏 /   案例21

先在此强调的是,作为一个NDT人员,如果您具备这些疲劳失效分析的常识,当你到达事故现场后(或者看到一些断裂图片后),就可以快速准确地分析判断出疲劳裂纹的源头來(crack origin),然后再考虑用最适当的NDT方法,而且又能在不拆卸或者局部拆卸的情况下,为需要检查的机械或构件快而准地探测出裂纹來,或者说能检测出在萌生时的小疲劳裂纹來,就可以及时地避免事故的恶化和发生,如果不能检测出裂纹的源头是不能真正消除隐患和解决问题的,这是非常关键的问题也是NDT人员应有的职责。


当断裂事故发生后,客户肯定担心其他正在使用中的同类设备是否也存在着疲劳断裂的隐患,十万火急地想将其他设备进行全面检测。


面对断裂事故发生后的灾难场面或者见到很多图片,我们如何能迅速和准确地判断出疲勞裂纹的最初开裂点(裂纹的源头)呢?在一大堆破烂的碎片或倒塌的支架中去寻找断裂源头呢?请看我的分析。


如何快速地找出裂纹源头呢?


当我们到达事故现场后看到受破坏的情况时,(或者有时候我们看到些断裂图片时),首先是要找出裂纹的源头來,什么原因造成断裂事故留待该机械的设计工程师或者疲勞失效分析专家们去分析研究。


我们可分三个途径查找:(见图1)


1.从断口或者有开口裂纹位置找源头;

2.从结构图上找源头;

3.參考机械设计者及使用者的意見;


(图1 NDT 检测流程方框图)


断口上找裂纹源头是直接用肉眼宏观检视断口上的特征,断裂事故发生后破碎零件上有新裂纹和旧裂纹,新裂纹是破裂时产生的,旧裂纹是已经开裂有一段时间氧化生锈的”老裂纹”, 裂纹的源头多熟是有氧化生锈的黑色。


有单一裂纹源头也可能有多个裂纹源头,这与构件的设计和使用狀况有关,例如:隧道通风系统的风扇轴会有两个源头,因为它在使用时需要正反兩个方向交替运转,兩个方向受力所以会有兩个裂纹源头。而单一方向运转或者变曲受力的构件只有一个源头。


有时候客户无法提供实物断口和断裂图片,或者他们只是预防性地抽检一下设备,看看是否有疲勞裂,这时,我们就要看图纸或者看整体结构了,有些常識(common sense)需要知道,例如:轴類零件的疲勞裂纹多數出现在轴承的台阶、退刀槽、键销、油孔等等锐角位置。


可以问客户他们常見裂纹的位置或者请教设计/生产该机械的工程师,根据他们提供的资料再进一步选择最适当的NDT方法,从最适合的位置和角度扫查欲检测疲勞裂纹源头。


疲劳裂纹源有什么特征呢? 


请看以下我列出的7类特征,如果断口上出现与这7个特征吻合的情况,那么也就是说找到裂纹源头的位置了,同时主裂纹中肯定含有裂纹的源头


疲劳裂纹源有什么特征呢? 


1.首要条件是一定要使用过一段时间的;

2.其断口有纹路(沙滩纹);

3.断口整齐没有塑性变形起点光滑晶体组织细小,最终断口变粗大;

4.最先开裂的位置开口最大(通常);

5.最先开裂的位置有锈迹或变黑色,因为有一段时间氧化,生锈是典型表征;

6.其附近硬度最硬;

7.有规律出现的位置在应力集中点、最脆弱的位置、机加工的锐角、刀痕、台阶位、焊缝边缘、腐蚀凹坑、电弧烧伤、机械性损伤缺口等。


以下是判别主裂纹方法的示意图:


(图2 T型法 A主裂纹;B二次裂纹;O裂源;)

(图3 分枝法 A主裂纹 ;B、C、D二次裂纹;O裂源;)

(图4 变型法 A主裂纹 ;B、C 二次裂纹;)

(图5 氧化法 A主裂纹 B二次裂纹 O裂源)


以下是真实的典型疲勞裂纹图片


(图 6 典型的疲勞断口)

(图 7 典型的疲勞断口)


图6、7 典型的疲勞断口--裂纹源头是在轴承的台阶位,从外圆周向轴心扩展最后在轴心断裂。我叫它是 “良性肿瘤” 是不会突然断裂


(图 8 典型的疲勞断口)


图8 典型的疲勞断口 -- 裂纹源头是在齿輪轴的台阶圆角位置,从外圆的表面一边向另一边形成偏心扩展,最后在对面断裂。这种偏心的断裂纹我叫它是“惡性肿瘤”(癌症),它可以是快速和突然地断裂,是最危险的疲勞断裂。


(图 9 裂纹源头在角焊位置)

(图 10 裂纹源头在角焊位置)


图9、10 裂纹源头在角焊位置--有明显的生锈痕迹开口最大。


(图11 蜗轮蜗杆裂纹源头特征)

(图12 蜗轮蜗杆裂纹源头特征)


图11、12 蜗轮蜗杆裂纹源头特征肯定是在最中间的一齿并且在根部兩端对称出现。


(图13 典型的路轨疲勞裂纹)

(图14 典型的路轨疲勞裂纹)


图13、14 典型的路轨疲勞裂纹--源头是从内部向外扩展开裂,在周期性的应力作用下,在路轨内出现硬块就像生长的“癌症的肿瘤”一样


(图 15 角焊缝裂纹)

(图 16 角焊缝裂纹)

(图 17 叶片断裂)

(图 18 叶片的源头在左下角的叶片根部)


机械设备发生断裂事故后,请考虑以下几个问题:


1.同一型号同期使用的设备是否需要检测?

2.同一型号不同期使用的设备是否也需要检测?

3.同一设计不同型号不同期使用的设备是否也需要检测?


根据我的实战经验以上三种情况都需要检测,特别是同一设计不同型号的设备更需要检测!


我有个客户有台已经使用18年的设备发生断裂事故后,与这设备是同一种设计但不同型号和使用时间只9年,却让我找到一个即将断裂的大裂纹,及时地避免一次重大事故的发生。


所以考虑疲勞失效检测时小心同一种设计时(通常也是同一厂家的)一定要检测。



关于作者



黄建明 长期从事在役无损检测技术工作近40年。任职于香港安捷材料试验有限公司,北京理工大学珠海学院“应用物理(无损检测方向)”本科专业兼职教授。美国焊接学会会员,美国无损检测学会会员,中国机械工程学会会员暨无损检测分会理事。英国焊接和无损检测人员考试发证章程(CSWIP)焊接检验督察,英国无损检测人员考试发证章程(PCN)II级焊缝射线照相评片员,美国焊接学会(AWS)高级焊接检验督察,AWS焊接导师,美国无损检测学会(ASNT)NDT检验师-UT、RT、MT、ET III级(高级)技术资格,中国机械工程学会无损检测分会RT、UT 3级(高级)技术资格。


联系方式:

邮箱:kmwong@aes.hk

公司:香港安捷材料试验有限公司 


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