L'analisi dei componenti metallici difettosi deve seguire la logica di "macroscopico prima, poi microscopico; fenomeno prima, poi essenza; qualitativo prima, poi quantitativo". Il suo fulcro risiede nell'identificare la modalità di guasto (ad esempio, frattura, corrosione, usura, deformazione) attraverso test multidimensionali, quindi rintracciare la causa principale del guasto (progettazione, materiale, processo, ambiente di servizio, ecc.) e infine fornire una base per le soluzioni di miglioramento. Di seguito è riportato un quadro di analisi sistematica che copre 6 passaggi fondamentali:
Il prerequisito per l'analisi dei guasti è afferrare le "informazioni sull'intero ciclo di vita" del componente; altrimenti, è facile deviare dalla direzione corretta. Le informazioni chiave da raccogliere includono:
- Informazioni di base sul componente
- Nome del componente, applicazione (ad esempio, albero, ingranaggio, recipiente a pressione), disegno strutturale (concentrarsi sulle aree di concentrazione delle sollecitazioni come raccordi e fori);
- Grado del materiale (ad esempio, acciaio 45, acciaio inossidabile 304, lega di titanio TC4) e parametri di prestazione originali (durezza, resistenza alla trazione, resistenza alla corrosione, ecc.).
- Processi di fabbricazione e lavorazione
- Processi di formatura (fusione, forgiatura, saldatura, stampa 3D), processi di trattamento termico (tempra e rinvenimento, invecchiamento per soluzione solida), trattamento superficiale (cromatura, carburazione);
- Se ci sono stati difetti durante la lavorazione (ad esempio, pori di saldatura, crepe di forgiatura, deformazione del trattamento termico).
- Condizioni di servizio e operative
- Carico di lavoro (carico statico/dinamico/d'urto, entità e direzione del carico);
- Parametri ambientali (temperatura: ambiente/alta/bassa temperatura; mezzo: aria, acqua, olio, soluzione acido-base, polvere; presenza di vibrazioni o cicli di fatica);
- Stato operativo prima del guasto (ad esempio, se si sono verificati rumori anomali, perdite o degrado della precisione; se il guasto è stato improvviso o graduale).
- Registrazioni storiche di manutenzione
- Se il componente è stato riparato o sostituito; se si sono verificati guasti simili in precedenza; se ci sono state operazioni improprie durante la manutenzione (ad esempio, uso di sovraccarico, lubrificazione insufficiente).
L'analisi macroscopica prevede l'osservazione dell'aspetto, della frattura e delle caratteristiche di deformazione del componente difettoso ad occhio nudo o con un ingranditore a basso ingrandimento (≤100x) per identificare inizialmente il tipo di guasto e le aree chiave. Serve come "navigazione" per la successiva analisi microscopica. Concentrarsi sulle seguenti dimensioni:
- Localizzazione del sito di guasto
- Se il guasto si è verificato in un'"area sensibile alle sollecitazioni" (ad esempio, spalla dell'albero, scanalatura per chiavetta, radice della filettatura), "area debole del processo" (ad esempio, giunto saldato, alzata di colata) o "area difettosa del materiale" (ad esempio, inclusioni, porosità);
- Esempio: se un albero si frattura all'angolo della spalla dell'albero, è probabile che sia correlato alla concentrazione delle sollecitazioni; se una tubazione perde alla saldatura, la qualità della saldatura dovrebbe essere prioritaria per l'ispezione.
- Osservazione delle caratteristiche dell'aspetto
- Guasto per frattura: Osservare il colore della frattura (presenza di colore ossido per determinare se la frattura si è verificata ad alta temperatura), la planarità (piatta = frattura fragile, ruvida = frattura duttile) e la presenza di linee radiali (una caratteristica tipica della frattura da fatica, con il punto di partenza delle linee radiali che è la sorgente della crepa);
- Guasto per corrosione: Identificare il tipo di corrosione (pitting: piccoli fori locali; corrosione uniforme: assottigliamento generale; corrosione intergranulare: fessurazione lungo i bordi dei grani; corrosione sotto tensione: accompagnata da crepe e tracce di corrosione);
- Guasto per usura: Osservare se la superficie usurata presenta graffi abrasivi (usura abrasiva), segni di adesione (usura adesiva, ad esempio "grippaggio" delle superfici metalliche) o sfaldamento da fatica (fatica da contatto, ad esempio sfaldamento delle superfici dei denti degli ingranaggi);
- Guasto per deformazione: Misurare le dimensioni chiave del componente (ad esempio, diametro dell'albero, planarità della piastra) per determinare se superano le tolleranze (ad esempio, "deformazione termica" ad alte temperature, "deformazione plastica" sotto sovraccarico).
- Verifica delle proprietà meccaniche macroscopiche
- Campionare l'"area non difettosa" del componente difettoso per testare durezza, resistenza alla trazione, limite di snervamento, ecc. e confrontare con i requisiti di progettazione per determinare se il guasto è stato causato da proprietà del materiale non conformi (ad esempio, durezza insufficiente dopo il trattamento termico).
Dopo aver ristretto l'ambito attraverso l'analisi macroscopica, vengono utilizzati metodi di test microscopici per osservare la microstruttura del materiale, i dettagli della frattura e la distribuzione degli elementi, rivelando il "meccanismo microscopico" del guasto (ad esempio, frattura fragile dovuta a grani grossolani, fessurazione dovuta a corrosione intergranulare). I metodi comuni e gli scenari applicativi sono i seguenti:
- Se SEM osserva un gran numero di "fossette" (caratteristiche simili a pozzi) sulla frattura, indica frattura duttile, che può essere causata da sovraccarico (carico superiore al limite di snervamento del materiale);
- Se la frattura presenta "piani di sfaldamento" (piccoli piani cristallini piatti) o "frattura intergranulare" (crepe che si propagano lungo i bordi dei grani), indica frattura fragile, che può essere causata da bassa temperatura, inclusioni di materiale o corrosione intergranulare;
- Se la frattura presenta "striature di fatica" (strisce parallele), indica frattura da fatica, che può essere causata da ripetuti carichi alternati (ad esempio, vibrazioni rotazionali di un albero) o sorgenti di crepe superficiali (ad esempio, graffi di lavorazione).
Il meccanismo di guasto si riferisce al "processo fisico/chimico che porta al guasto del componente". È necessario combinare i risultati dell'analisi macroscopica + microscopica per chiarire la causa principale del guasto. I meccanismi di guasto comuni e gli scenari corrispondenti sono i seguenti:
- Meccanismi di guasto meccanico
- Frattura da sovraccarico: il carico supera la resistenza ultima del materiale, con fossette sulla frattura;
- Frattura da fatica: ripetuti carichi alternati, con striature di fatica + sorgenti di crepe sulla frattura;
- Deformazione plastica: il carico supera il limite di snervamento del materiale o l'ammorbidimento del materiale ad alte temperature;
- Usura: perdita di materiale dovuta all'attrito di contatto superficiale (usura abrasiva, usura adesiva, usura da fatica da contatto).
- Meccanismi di guasto chimico
- Corrosione: reazione chimica tra metallo e mezzo ambientale (ad esempio, arrugginimento dell'acciaio al carbonio in ambienti umidi, pitting dell'acciaio inossidabile in ambienti Cl⁻);
- Ossidazione: reazione tra metallo e ossigeno ad alte temperature (ad esempio, l'acciaio che forma scaglie di ossido sopra gli 800℃, con conseguente riduzione dell'accuratezza dimensionale).
- Meccanismi di guasto termico
- Ammorbidimento termico: le alte temperature causano una diminuzione della resistenza/durezza del materiale, con conseguente deformazione o frattura;
- Fatica termica: ripetuti cicli di riscaldamento-raffreddamento causano cicli di sollecitazione termica e formazione di crepe (ad esempio, tubi di caldaie, blocchi motore).
Sulla base del meccanismo di guasto, indagare ulteriormente la causa principale da 5 collegamenti: "progettazione, materiale, fabbricazione, uso, manutenzione", evitando di fermarsi alla "descrizione del fenomeno":
- Collegamento di progettazione
- Difetti: progettazione della concentrazione delle sollecitazioni (ad esempio, raggio di raccordo eccessivamente piccolo), fattore di sicurezza insufficiente (errore di calcolo del carico), selezione del materiale impropria (ad esempio, utilizzo di acciaio al carbonio ordinario invece di acciaio inossidabile in ambienti corrosivi);
- Esempio: una tubazione chimica che utilizza acciaio Q235 (non resistente agli acidi) per trasportare acido cloridrico ha provocato perdite per corrosione, con la causa principale che è stata "selezione errata del materiale".
- Collegamento del materiale
- Difetti: composizione del materiale non conforme (ad esempio, contenuto di elementi di lega insufficiente), inclusioni interne (ad esempio, inclusioni di solfuro nell'acciaio), difetti metallurgici (ad esempio, porosità di fusione, crepe di forgiatura);
- Esempio: un ingranaggio in acciaio 20CrMnTi si è fratturato alla radice del dente a causa dell'eccessivo contenuto di zolfo durante la fusione, con conseguenti inclusioni.
- Collegamento di fabbricazione
- Difetti: processo di trattamento termico errato (ad esempio, durezza insufficiente a causa della bassa temperatura di tempra), processo di saldatura improprio (ad esempio, penetrazione incompleta, pori), difetti di lavorazione superficiale (ad esempio, graffi di tornitura che portano a sorgenti di crepe da fatica);
- Esempio: un componente dell'albero si è incrinato da solo durante lo stoccaggio a causa di un'eccessiva sollecitazione interna causata dal mancato rinvenimento in tempo dopo la tempra.
- Collegamento di utilizzo
- Difetti: funzionamento in sovraccarico (ad esempio, sovraccarico della gru), funzionamento oltre i limiti di temperatura/pressione (ad esempio, pressione della caldaia superiore al valore di progetto), ambiente anomalo (ad esempio, nessuna prevenzione della ruggine in ambienti umidi);
- Esempio: un albero motore ha subito una frattura da fatica a causa di carichi alternati eccessivi causati da vibrazioni eccessive dell'apparecchiatura.
- Collegamento di manutenzione
- Difetti: lubrificazione insufficiente (accelerazione dell'usura dei cuscinetti), mancata pulizia tempestiva dei mezzi corrosivi (ad esempio, incrostazioni non rimosse sulle pareti interne delle tubazioni, intensificazione della corrosione), riparazione impropria (ad esempio, introduzione di nuove crepe durante la riparazione della saldatura).
L'obiettivo finale dell'analisi è risolvere il problema. Le misure di miglioramento mirate e attuabili dovrebbero essere proposte sulla base della causa principale, con le seguenti direzioni comuni:
Il tuo messaggio deve contenere da 20 a 3000 caratteri!