L'analyse des pièces métalliques défaillantes doit suivre la logique suivante : "macroscopique d'abord, puis microscopique ; phénomène d'abord, puis essence ; qualitatif d'abord, puis quantitatif". Son cœur réside dans l'identification du mode de défaillance (par exemple, fracture, corrosion, usure, déformation) grâce à des tests multidimensionnels, puis dans la recherche de la cause profonde de la défaillance (conception, matériau, processus, environnement de service, etc.), et enfin dans la fourniture d'une base pour des solutions d'amélioration. Voici un cadre d'analyse systématique couvrant 6 étapes clés :
La condition préalable à l'analyse des défaillances est de saisir les "informations du cycle de vie complet" de la pièce ; sinon, il est facile de s'écarter de la bonne direction. Les informations clés à collecter comprennent :
- Informations de base sur la pièce
- Nom de la pièce, application (par exemple, arbre, engrenage, récipient sous pression), dessin de conception structurelle (se concentrer sur les zones de concentration de contraintes telles que les congés et les trous) ;
- Qualité du matériau (par exemple, acier 45, acier inoxydable 304, alliage de titane TC4) et paramètres de performance d'origine (dureté, résistance à la traction, résistance à la corrosion, etc.).
- Processus de fabrication et de traitement
- Processus de formage (coulée, forgeage, soudage, impression 3D), processus de traitement thermique (trempe et revenu, vieillissement en solution), traitement de surface (chromage, cémentation) ;
- S'il y a eu des défauts pendant le traitement (par exemple, pores de soudure, fissures de forgeage, déformation du traitement thermique).
- Conditions de service et d'exploitation
- Charge de travail (charge statique/dynamique/d'impact, amplitude et direction de la charge) ;
- Paramètres environnementaux (température : ambiante/haute/basse température ; milieu : air, eau, huile, solution acide-base, poussière ; présence de vibrations ou de cycles de fatigue) ;
- État de fonctionnement avant la défaillance (par exemple, présence de bruits anormaux, de fuites ou de dégradation de la précision ; la défaillance a-t-elle été soudaine ou progressive).
- Dossiers d'entretien historiques
- Si la pièce a subi une réparation ou un remplacement ; si des défaillances similaires se sont produites auparavant ; s'il y a eu un fonctionnement incorrect pendant l'entretien (par exemple, utilisation en surcharge, lubrification insuffisante).
L'analyse macroscopique consiste à observer l'apparence, la fracture et les caractéristiques de déformation de la pièce défaillante à l'œil nu ou avec une loupe à faible grossissement (≤100x) afin d'identifier initialement le type de défaillance et les zones clés. Elle sert de "navigation" pour l'analyse microscopique ultérieure. Concentrez-vous sur les dimensions suivantes :
- Localisation du site de défaillance
- Si la défaillance s'est produite dans une "zone sensible aux contraintes" (par exemple, épaulement d'arbre, rainure de clavette, racine de filetage), une "zone faible du processus" (par exemple, joint de soudure, carotte de coulée) ou une "zone de défaut du matériau" (par exemple, inclusions, porosité) ;
- Exemple : Si un arbre se fracture au niveau du congé d'épaulement, cela est probablement lié à la concentration de contraintes ; si une canalisation fuit au niveau de la soudure, la qualité de la soudure doit être priorisée pour l'inspection.
- Observation des caractéristiques d'apparence
- Rupture par fracture: Observer la couleur de la fracture (présence de couleur d'oxyde pour déterminer si la fracture s'est produite à haute température), la planéité (plate = fracture fragile, rugueuse = fracture ductile) et la présence de lignes radiales (une caractéristique typique de la fracture par fatigue, le point de départ des lignes radiales étant la source de la fissure) ;
- Rupture par corrosion: Identifier le type de corrosion (piqûres : petits trous locaux ; corrosion uniforme : amincissement général ; corrosion intergranulaire : fissuration le long des joints de grains ; corrosion sous contrainte : accompagnée de fissures et de traces de corrosion) ;
- Rupture par usure: Observer si la surface usée présente des rayures abrasives (usure abrasive), des marques d'adhésion (usure adhésive, par exemple, "grippage" des surfaces métalliques) ou un écaillage par fatigue (fatigue de contact, par exemple, écaillage des surfaces des dents d'engrenage) ;
- Rupture par déformation: Mesurer les dimensions clés de la pièce (par exemple, diamètre de l'arbre, planéité de la plaque) pour déterminer si elles dépassent les tolérances (par exemple, "déformation thermique" à haute température, "déformation plastique" en cas de surcharge).
- Vérification des propriétés mécaniques macroscopiques
- Prélever un échantillon de la "zone non défaillante" de la pièce défaillante pour tester la dureté, la résistance à la traction, la limite d'élasticité, etc., et comparer avec les exigences de conception pour déterminer si la défaillance a été causée par des propriétés de matériau non conformes (par exemple, dureté insuffisante après le traitement thermique).
Après avoir réduit le champ d'application grâce à l'analyse macroscopique, des méthodes de test microscopiques sont utilisées pour observer la microstructure du matériau, les détails de la fracture et la distribution des éléments, révélant le "mécanisme microscopique" de la défaillance (par exemple, fracture fragile due à des grains grossiers, fissuration due à la corrosion intergranulaire). Les méthodes courantes et les scénarios d'application sont les suivants :
- Si le MEB observe un grand nombre de "cupules" (caractéristiques en forme de fosse) sur la fracture, cela indique une fracture ductile, qui peut être causée par une surcharge (charge dépassant la limite d'élasticité du matériau) ;
- Si la fracture présente des "plans de clivage" (petits plans cristallins plats) ou une "fracture intergranulaire" (fissures se propageant le long des joints de grains), cela indique une fracture fragile, qui peut être causée par une basse température, des inclusions de matériaux ou une corrosion intergranulaire ;
- Si la fracture présente des "stries de fatigue" (bandes parallèles), cela indique une fracture par fatigue, qui peut être causée par des charges alternatives répétées (par exemple, vibration rotationnelle d'un arbre) ou des sources de fissures de surface (par exemple, rayures d'usinage).
Le mécanisme de défaillance fait référence au "processus physique/chimique menant à la défaillance de la pièce". Il est nécessaire de combiner les résultats de l'analyse macroscopique + microscopique pour clarifier la cause fondamentale de la défaillance. Les mécanismes de défaillance courants et les scénarios correspondants sont les suivants :
- Mécanismes de défaillance mécanique
- Rupture par surcharge : La charge dépasse la résistance ultime du matériau, avec des cupules sur la fracture ;
- Rupture par fatigue : Charges alternatives répétées, avec des stries de fatigue + sources de fissures sur la fracture ;
- Déformation plastique : La charge dépasse la limite d'élasticité du matériau, ou ramollissement du matériau à haute température ;
- Usure : Perte de matériau due au frottement de contact de surface (usure abrasive, usure adhésive, usure par fatigue de contact).
- Mécanismes de défaillance chimique
- Corrosion : Réaction chimique entre le métal et le milieu ambiant (par exemple, rouille de l'acier au carbone dans les environnements humides, piqûres de l'acier inoxydable dans les environnements Cl⁻) ;
- Oxydation : Réaction entre le métal et l'oxygène à haute température (par exemple, l'acier formant une calamine d'oxyde au-dessus de 800℃, entraînant une réduction de la précision dimensionnelle).
- Mécanismes de défaillance thermique
- Ramollissement thermique : Les températures élevées provoquent une diminution de la résistance/dureté du matériau, entraînant une déformation ou une fracture ;
- Fatigue thermique : Des cycles répétés de chauffage-refroidissement provoquent des cycles de contraintes thermiques et la formation de fissures (par exemple, tuyaux de chaudière, blocs moteurs).
Sur la base du mécanisme de défaillance, enquêter davantage sur la cause profonde à partir de 5 liens : "conception, matériau, fabrication, utilisation, maintenance", en évitant de s'arrêter à la "description du phénomène" :
- Lien de conception
- Défauts : Conception de concentration de contraintes (par exemple, rayon de congé excessivement petit), facteur de sécurité insuffisant (erreur de calcul de la charge), sélection de matériau incorrecte (par exemple, utilisation d'acier au carbone ordinaire au lieu d'acier inoxydable dans des environnements corrosifs) ;
- Exemple : Une canalisation chimique utilisant de l'acier Q235 (non résistant aux acides) pour transporter de l'acide chlorhydrique a entraîné une fuite par corrosion, la cause profonde étant une "sélection de matériau incorrecte".
- Lien de matériau
- Défauts : Composition de matériau non conforme (par exemple, teneur en élément d'alliage insuffisante), inclusions internes (par exemple, inclusions de sulfure dans l'acier), défauts métallurgiques (par exemple, porosité de coulée, fissures de forgeage) ;
- Exemple : Un engrenage en acier 20CrMnTi s'est fracturé à la racine de la dent en raison d'une teneur excessive en soufre pendant la fusion, entraînant des inclusions.
- Lien de fabrication
- Défauts : Processus de traitement thermique incorrect (par exemple, dureté insuffisante due à une température de trempe basse), processus de soudage incorrect (par exemple, pénétration incomplète, pores), défauts de traitement de surface (par exemple, rayures de tournage entraînant des sources de fissures de fatigue) ;
- Exemple : Une pièce d'arbre s'est fissurée d'elle-même pendant le stockage en raison de contraintes internes excessives causées par l'absence de revenu à temps après la trempe.
- Lien d'utilisation
- Défauts : Fonctionnement en surcharge (par exemple, surcharge de la grue), fonctionnement au-delà des limites de température/pression (par exemple, pression de la chaudière dépassant la valeur de conception), environnement anormal (par exemple, absence de prévention de la rouille dans les environnements humides) ;
- Exemple : Un arbre de moteur a subi une rupture par fatigue en raison de charges alternatives excessives causées par des vibrations excessives de l'équipement.
- Lien de maintenance
- Défauts : Lubrification insuffisante (accélérant l'usure des roulements), incapacité à nettoyer les milieux corrosifs à temps (par exemple, tartre non enlevé sur les parois intérieures des canalisations, intensifiant la corrosion), réparation incorrecte (par exemple, introduction de nouvelles fissures lors de la réparation par soudage).
Votre message doit contenir entre 20 et 3 000 caractères!