Phương pháp phân tích các bộ phận kim loại bị hỏng

I. Thu thập thông tin sơ bộ: Làm rõ bối cảnh hỏng hóc (Tránh phân tích mù quáng)

1. Thông tin cơ bản về bộ phận
   • Tên bộ phận, ứng dụng (ví dụ: trục, bánh răng, bình chịu áp lực), bản vẽ thiết kế kết cấu (tập trung vào các khu vực tập trung ứng suất như góc lượn và lỗ);
   • Cấp vật liệu (ví dụ: thép 45, thép không gỉ 304, hợp kim titan TC4) và các thông số hiệu suất ban đầu (độ cứng, độ bền kéo, khả năng chống ăn mòn, v.v.).
2. Quy trình sản xuất và gia công
   • Quy trình tạo hình (đúc, rèn, hàn, in 3D), quy trình xử lý nhiệt (tôi và ram, ủ dung dịch), xử lý bề mặt (mạ crôm, thấm cacbon);
   • Liệu có khuyết tật trong quá trình gia công (ví dụ: lỗ hàn, vết nứt rèn, biến dạng xử lý nhiệt).
3. Điều kiện vận hành và sử dụng
   • Tải trọng làm việc (tải trọng tĩnh/động/va đập, độ lớn và hướng tải);
   • Thông số môi trường (nhiệt độ: nhiệt độ phòng/cao/thấp; môi trường: không khí, nước, dầu, dung dịch axit-bazơ, bụi; có rung hoặc chu kỳ mỏi);
   • Trạng thái hoạt động trước khi hỏng (ví dụ: liệu có tiếng ồn bất thường, rò rỉ hoặc suy giảm độ chính xác xảy ra; liệu sự cố xảy ra đột ngột hay dần dần).
4. Hồ sơ bảo trì trước đây
   • Liệu bộ phận đã trải qua sửa chữa hoặc thay thế; liệu các sự cố tương tự có xảy ra trước đó; liệu có thao tác không đúng trong quá trình bảo trì (ví dụ: sử dụng quá tải, bôi trơn không đủ).

II. Phân tích vĩ mô: Ban đầu xác định chế độ hỏng (Thu hẹp phạm vi nhanh chóng)

1. Xác định vị trí của vị trí hỏng
   • Liệu sự cố có xảy ra ở "khu vực nhạy cảm với ứng suất" (ví dụ: vai trục, rãnh then, chân ren), "khu vực yếu về quy trình" (ví dụ: mối nối hàn, gờ đúc) hoặc "khu vực khuyết tật vật liệu" (ví dụ: tạp chất, xốp);
   • Ví dụ: Nếu một trục bị gãy ở góc lượn vai trục, nó có thể liên quan đến sự tập trung ứng suất; nếu một đường ống bị rò rỉ ở mối hàn, chất lượng hàn nên được ưu tiên kiểm tra.
2. Quan sát các đặc điểm bên ngoài
   • Hỏng do gãy: Quan sát màu sắc của vết gãy (sự hiện diện của màu oxit để xác định xem vết gãy có xảy ra ở nhiệt độ cao hay không), độ phẳng (phẳng = gãy giòn, thô = gãy dẻo) và sự hiện diện của các đường hướng tâm (một đặc điểm điển hình của gãy mỏi, với điểm bắt đầu của các đường hướng tâm là nguồn vết nứt);
   • Hỏng do ăn mòn: Xác định loại ăn mòn (rỗ: các lỗ nhỏ cục bộ; ăn mòn đồng đều: mỏng tổng thể; ăn mòn giữa các hạt: nứt dọc theo ranh giới hạt; ăn mòn ứng suất: kèm theo vết nứt và dấu vết ăn mòn);
   • Hỏng do mài mòn: Quan sát xem bề mặt bị mài mòn có các vết xước mài mòn (mài mòn), dấu vết bám dính (mài mòn kết dính, ví dụ: "kẹt" của bề mặt kim loại) hoặc bong tróc do mỏi (mỏi tiếp xúc, ví dụ: bong tróc bề mặt răng bánh răng);
   • Hỏng do biến dạng: Đo các kích thước chính của bộ phận (ví dụ: đường kính trục, độ phẳng tấm) để xác định xem chúng có vượt quá dung sai (ví dụ: "biến dạng nhiệt" ở nhiệt độ cao, "biến dạng dẻo" dưới tải trọng quá tải).
3. Xác minh các tính chất cơ học vĩ mô
   • Lấy mẫu "khu vực không bị hỏng" của bộ phận bị hỏng để kiểm tra độ cứng, độ bền kéo, giới hạn chảy, v.v. và so sánh với các yêu cầu thiết kế để xác định xem sự cố có phải do các tính chất vật liệu không đạt tiêu chuẩn hay không (ví dụ: độ cứng không đủ sau khi xử lý nhiệt).

III. Phân tích vi mô: Xác định sâu bản chất của sự cố (Liên kết cốt lõi)

Ví dụ: Phán đoán vi mô về hỏng do gãy

• Nếu SEM quan sát thấy một số lượng lớn "lõm" (các đặc điểm giống như hố) trên vết gãy, nó cho thấy gãy dẻo, có thể do quá tải (tải trọng vượt quá giới hạn chảy của vật liệu);
• Nếu vết gãy có "mặt phân tách" (mặt tinh thể nhỏ phẳng) hoặc "gãy giữa các hạt" (vết nứt lan truyền dọc theo ranh giới hạt), nó cho thấy gãy giòn, có thể do nhiệt độ thấp, tạp chất vật liệu hoặc ăn mòn giữa các hạt;
• Nếu vết gãy có "vân mỏi" (vân song song), nó cho thấy gãy mỏi, có thể do tải trọng thay đổi lặp đi lặp lại (ví dụ: rung động quay của trục) hoặc các nguồn vết nứt bề mặt (ví dụ: vết xước gia công).

IV. Xác định cơ chế hỏng: Liên kết hiện tượng và bản chất

1. Cơ chế hỏng cơ học
   • Gãy quá tải: Tải trọng vượt quá độ bền cuối cùng của vật liệu, có lõm trên vết gãy;
   • Gãy mỏi: Tải trọng thay đổi lặp đi lặp lại, có vân mỏi + nguồn vết nứt trên vết gãy;
   • Biến dạng dẻo: Tải trọng vượt quá giới hạn chảy của vật liệu hoặc làm mềm vật liệu ở nhiệt độ cao;
   • Mài mòn: Mất vật liệu do ma sát tiếp xúc bề mặt (mài mòn, mài mòn kết dính, mài mòn mỏi tiếp xúc).
2. Cơ chế hỏng hóa học
   • Ăn mòn: Phản ứng hóa học giữa kim loại và môi trường (ví dụ: thép carbon bị gỉ trong môi trường ẩm ướt, thép không gỉ bị rỗ trong môi trường Cl⁻);
   • Oxy hóa: Phản ứng giữa kim loại và oxy ở nhiệt độ cao (ví dụ: thép tạo thành vảy oxit trên 800℃, dẫn đến giảm độ chính xác về kích thước).
3. Cơ chế hỏng nhiệt
   • Làm mềm nhiệt: Nhiệt độ cao làm giảm độ bền/độ cứng của vật liệu, dẫn đến biến dạng hoặc gãy;
   • Mỏi nhiệt: Chu kỳ gia nhiệt-làm mát lặp đi lặp lại gây ra chu kỳ ứng suất nhiệt và hình thành vết nứt (ví dụ: đường ống nồi hơi, khối động cơ).

V. Truy tìm nguyên nhân gốc rễ: Điều tra các liên kết chịu trách nhiệm trong vòng đời đầy đủ

1. Liên kết thiết kế
   • Khuyết tật: Thiết kế tập trung ứng suất (ví dụ: bán kính góc lượn quá nhỏ), hệ số an toàn không đủ (lỗi tính toán tải trọng), lựa chọn vật liệu không đúng (ví dụ: sử dụng thép carbon thông thường thay vì thép không gỉ trong môi trường ăn mòn);
   • Ví dụ: Một đường ống hóa chất sử dụng thép Q235 (không chịu axit) để vận chuyển axit clohydric dẫn đến rò rỉ ăn mòn, với nguyên nhân gốc rễ là "lựa chọn vật liệu không chính xác".
2. Liên kết vật liệu
   • Khuyết tật: Thành phần vật liệu không đạt tiêu chuẩn (ví dụ: hàm lượng nguyên tố hợp kim không đủ), tạp chất bên trong (ví dụ: tạp chất sunfua trong thép), khuyết tật luyện kim (ví dụ: xốp đúc, vết nứt rèn);
   • Ví dụ: Một bánh răng làm bằng thép 20CrMnTi bị gãy ở chân răng do hàm lượng lưu huỳnh quá cao trong quá trình nấu chảy, dẫn đến tạp chất.
3. Liên kết sản xuất
   • Khuyết tật: Quy trình xử lý nhiệt không chính xác (ví dụ: độ cứng không đủ do nhiệt độ tôi thấp), quy trình hàn không đúng cách (ví dụ: không xuyên thấu hoàn toàn, lỗ rỗng), khuyết tật gia công bề mặt (ví dụ: vết xước tiện dẫn đến nguồn vết nứt mỏi);
   • Ví dụ: Một bộ phận trục tự nứt trong quá trình bảo quản do ứng suất bên trong quá mức do không ram kịp thời sau khi tôi.
4. Liên kết sử dụng
   • Khuyết tật: Vận hành quá tải (ví dụ: quá tải cần cẩu), vận hành vượt quá giới hạn nhiệt độ/áp suất (ví dụ: áp suất nồi hơi vượt quá giá trị thiết kế), môi trường bất thường (ví dụ: không chống gỉ trong môi trường ẩm ướt);
   • Ví dụ: Một trục động cơ bị gãy mỏi do tải trọng thay đổi quá mức do rung động thiết bị quá mức.
5. Liên kết bảo trì
   • Khuyết tật: Bôi trơn không đủ (tăng tốc độ mài mòn ổ trục), không làm sạch môi trường ăn mòn kịp thời (ví dụ: không loại bỏ cặn trên thành trong đường ống, tăng cường ăn mòn), sửa chữa không đúng cách (ví dụ: tạo ra các vết nứt mới trong quá trình sửa chữa hàn).

VI. Đề xuất các giải pháp cải tiến: Tránh tái diễn sự cố