De analyse van mislukte metalen onderdelen moet de logica volgen van "macroscopisch eerst, dan microscopisch; fenomeen eerst, dan essentie; kwalitatief eerst, dan kwantitatief". De kern ligt in het identificeren van de faalwijze (bijv. breuk, corrosie, slijtage, vervorming) door middel van multidimensionale tests, vervolgens het traceren van de hoofdoorzaak van de fout (ontwerp, materiaal, proces, serviceomgeving, enz.), en ten slotte het leveren van een basis voor verbeteringsoplossingen. Hieronder staat een systematisch analyseframework dat 6 kernstappen omvat:
De voorwaarde voor foutanalyse is het begrijpen van de "full-life-cycle informatie" van het onderdeel; anders is het gemakkelijk om van de juiste richting af te wijken. Belangrijke informatie om te verzamelen omvat:
- Basis Onderdeelinformatie
- Naam van het onderdeel, toepassing (bijv. as, tandwiel, drukvat), constructietekening (focus op spanningsconcentratiegebieden zoals afrondingen en gaten);
- Materiaalkwaliteit (bijv. 45 staal, 304 roestvrij staal, TC4 titaniumlegering) en originele prestatieparameters (hardheid, treksterkte, corrosiebestendigheid, enz.).
- Productie- en Verwerkingsprocessen
- Vormprocessen (gieten, smeden, lassen, 3D-printen), warmtebehandelingsprocessen (afschrikken en ontlaten, oplossingsveroudering), oppervlaktebehandeling (verchromen, carboneren);
- Of er defecten waren tijdens de verwerking (bijv. lasporiën, smeedscheuren, vervorming door warmtebehandeling).
- Service- en Gebruiksomstandigheden
- Werkbelasting (statische/dynamische/impactbelasting, belastinggrootte en -richting);
- Omgevingsparameters (temperatuur: kamertemperatuur/hoge/lage temperatuur; medium: lucht, water, olie, zuur-base oplossing, stof; aanwezigheid van trillingen of vermoeidheidscycli);
- Bedrijfsstatus vóór de fout (bijv. of er abnormale geluiden, lekkage of precisievermindering optraden; of de fout plotseling of geleidelijk was).
- Historische Onderhoudsgegevens
- Of het onderdeel is gerepareerd of vervangen; of er eerder vergelijkbare fouten zijn opgetreden; of er onjuiste bediening was tijdens het onderhoud (bijv. overbelasting, onvoldoende smering).
Macroscopische analyse omvat het observeren van het uiterlijk, de breuk en de vervormingseigenschappen van het defecte onderdeel met het blote oog of een vergrootglas met lage vergroting (≤100x) om in eerste instantie het faaltype en de belangrijkste gebieden te identificeren. Het dient als de "navigatie" voor de daaropvolgende microscopische analyse. Focus op de volgende dimensies:
- Lokalisatie van de Foutlocatie
- Of de fout optrad in een "spanningsgevoelig gebied" (bijv. asschouder, spiebaan, schroefdraadwortel), "proceszwak gebied" (bijv. lasverbinding, gietstukstijgbuis), of "materiaalfoutgebied" (bijv. insluitsels, porositeit);
- Voorbeeld: Als een as breekt bij de asschouder afronding, is dit waarschijnlijk gerelateerd aan spanningsconcentratie; als een pijpleiding lekt bij de las, moet de laskwaliteit prioriteit krijgen voor inspectie.
- Observatie van Uiterlijke Kenmerken
- Breukfout: Observeer de breukkleur (aanwezigheid van oxidekleur om te bepalen of de breuk bij hoge temperatuur optrad), vlakheid (vlak = brosse breuk, ruw = ductiele breuk), en aanwezigheid van radiale lijnen (een typisch kenmerk van vermoeidheidsbreuk, waarbij het startpunt van radiale lijnen de scheurbron is);
- Corrosiefout: Identificeer het corrosietype (putcorrosie: lokale kleine gaten; uniforme corrosie: algemene verdunning; intergranulaire corrosie: scheuren langs korrelgrenzen; spanningscorrosie: vergezeld van scheuren en corrosiesporen);
- Slijtagefout: Observeer of het versleten oppervlak slijtagekrassen heeft (schurende slijtage), adhesiemarkeringen (adhesieslijtage, bijv. "vastlopen" van metalen oppervlakken), of vermoeidheidsafschilfering (contactvermoeidheid, bijv. afschilfering van tandoppervlakken);
- Vervormingsfout: Meet belangrijke afmetingen van het onderdeel (bijv. asdiameter, plaatvlakheid) om te bepalen of deze de toleranties overschrijden (bijv. "thermische vervorming" bij hoge temperaturen, "plastische vervorming" onder overbelasting).
- Verificatie van Macroscopische Mechanische Eigenschappen
- Neem een monster van het "niet-defecte gebied" van het defecte onderdeel om de hardheid, treksterkte, vloeigrens, enz. te testen en vergelijk deze met de ontwerpeisen om te bepalen of de fout werd veroorzaakt door onvoldoende materiaaleigenschappen (bijv. onvoldoende hardheid na warmtebehandeling).
Na het beperken van de omvang door middel van macroscopische analyse, worden microscopische testmethoden gebruikt om de microstructuur, breukdetails en elementverdeling van het materiaal te observeren, waardoor het "microscopische mechanisme" van de fout wordt onthuld (bijv. brosse breuk door grove korrels, scheuren door intergranulaire corrosie). Veelvoorkomende methoden en toepassingsscenario's zijn als volgt:
- Als SEM een groot aantal "dimples" (put-achtige kenmerken) op de breuk observeert, duidt dit op ductiele breuk, wat kan worden veroorzaakt door overbelasting (belasting die de vloeigrens van het materiaal overschrijdt);
- Als de breuk "splijtingsvlakken" (vlakke kleine kristalvlakken) of "intergranulaire breuk" (scheuren die zich langs korrelgrenzen voortplanten) heeft, duidt dit op brosse breuk, wat kan worden veroorzaakt door lage temperatuur, materiaalinclusies of intergranulaire corrosie;
- Als de breuk "vermoeidheidsstrepen" (parallelle strepen) heeft, duidt dit op vermoeidheidsbreuk, wat kan worden veroorzaakt door herhaalde wisselende belastingen (bijv. rotatietrillingen van een as) of oppervlaktescheurbronnen (bijv. bewerkingskrassen).
Het faalmechanisme verwijst naar het "fysische/chemische proces dat leidt tot onderdeel falen". Het is noodzakelijk om macroscopische + microscopische analyseresultaten te combineren om de kernoorzaak van de fout te verduidelijken. Veelvoorkomende faalmechanismen en bijbehorende scenario's zijn als volgt:
- Mechanische Faalmechanismen
- Overbelastingsbreuk: Belasting overschrijdt de ultieme sterkte van het materiaal, met dimples op de breuk;
- Vermoeidheidsbreuk: Herhaalde wisselende belastingen, met vermoeidheidsstrepen + scheurbronnen op de breuk;
- Plastische vervorming: Belasting overschrijdt de vloeigrens van het materiaal, of materiaalverweking bij hoge temperaturen;
- Slijtage: Materiaalverlies door oppervlaktecontactwrijving (schurende slijtage, adhesieslijtage, contactvermoeidheidsslijtage).
- Chemische Faalmechanismen
- Corrosie: Chemische reactie tussen metaal en omgevingsmedium (bijv. koolstofstaal dat roest in vochtige omgevingen, roestvrij staal dat putcorrosie vertoont in Cl⁻ omgevingen);
- Oxidatie: Reactie tussen metaal en zuurstof bij hoge temperaturen (bijv. staal dat oxideschubben vormt boven 800℃, wat leidt tot verminderde maatnauwkeurigheid).
- Thermische Faalmechanismen
- Thermische verweking: Hoge temperaturen veroorzaken een afname van de sterkte/hardheid van het materiaal, wat leidt tot vervorming of breuk;
- Thermische vermoeidheid: Herhaalde verwarmings-koelingscycli veroorzaken thermische spanningscycli en scheurvorming (bijv. ketelbuizen, motorblokken).
Op basis van het faalmechanisme, onderzoek verder de hoofdoorzaak vanuit 5 links: "ontwerp, materiaal, fabricage, gebruik, onderhoud", waarbij wordt voorkomen dat wordt gestopt bij "fenomeenbeschrijving":
- Ontwerplink
- Defecten: Spanningsconcentratieontwerp (bijv. overdreven kleine afrondingsradius), onvoldoende veiligheidsfactor (belastingsberekeningsfout), onjuiste materiaalkeuze (bijv. gebruik van gewoon koolstofstaal in plaats van roestvrij staal in corrosieve omgevingen);
- Voorbeeld: Een chemische pijpleiding met Q235 staal (niet zuurbestendig) voor het transport van zoutzuur resulteerde in corrosielekkage, waarbij de hoofdoorzaak "verkeerde materiaalkeuze" was.
- Materiaallink
- Defecten: Onvoldoende materiaalsamenstelling (bijv. onvoldoende gehalte aan legeringselementen), interne insluitsels (bijv. sulfide-insluitsels in staal), metallurgische defecten (bijv. gietporositeit, smeedscheuren);
- Voorbeeld: Een tandwiel gemaakt van 20CrMnTi staal brak bij de tandwortel door overmatig zwavelgehalte tijdens het smelten, wat leidde tot insluitsels.
- Fabricagelink
- Defecten: Onjuist warmtebehandelingsproces (bijv. onvoldoende hardheid door lage afschriktemperatuur), onjuist lasproces (bijv. onvolledige penetratie, poriën), oppervlakteverwerkingsdefecten (bijv. draaikrassen die leiden tot vermoeidheidsscheurbronnen);
- Voorbeeld: Een asonderdeel scheurde uit zichzelf tijdens opslag door overmatige interne spanning veroorzaakt door niet op tijd te ontlaten na het afschrikken.
- Gebruik Link
- Defecten: Overbelastingsbedrijf (bijv. kraanoverbelasting), bedrijf buiten temperatuur/druk limieten (bijv. keteldruk die de ontwerpgrens overschrijdt), abnormale omgeving (bijv. geen roestbescherming in vochtige omgevingen);
- Voorbeeld: Een motoras leed vermoeidheidsbreuk door overmatige wisselende belastingen veroorzaakt door overmatige trillingen van de apparatuur.
- Onderhoudslink
- Defecten: Onvoldoende smering (versnelling van lagerslijtage), het niet op tijd reinigen van corrosieve media (bijv. niet-verwijderde aanslag op de binnenwanden van de pijpleiding, intensivering van corrosie), onjuiste reparatie (bijv. het introduceren van nieuwe scheuren tijdens lasreparatie).
Het uiteindelijke doel van de analyse is om het probleem op te lossen. Gerichte en uitvoerbare verbeteringsmaatregelen moeten worden voorgesteld op basis van de hoofdoorzaak, met veelvoorkomende richtingen als volgt:
Uw bericht moet tussen de 20-3.000 tekens bevatten!