一種軸類工件斷裂失效裂紋源的識別方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種工程關(guān)鍵構(gòu)件斷裂失效分析方法，尤其涉及一種軸類工件斷裂失效裂紋源的識別方法。
【背景技術(shù)】
[0002]軸類工件是傳動系統(tǒng)中的重要構(gòu)件。該類工件的斷裂失效通常會導(dǎo)致整個機(jī)器的故障。尤其對于大型設(shè)備，軸類工件的斷裂失效可能會引起重大安全事故。因此，對斷裂的軸類工件進(jìn)行失效分析，并在此基礎(chǔ)上提出措施，預(yù)防此類事故的發(fā)生，對失效事故原因鑒定、事故預(yù)防，保障工業(yè)生產(chǎn)的正常運行等具有重要的作用和意義。由于軸類工件在正常工況下會受到交變載荷的作用(一般為交變彎曲和扭轉(zhuǎn)載荷)，由此類載荷引起的疲勞斷裂成為軸類工件最常見的一種失效形式。疲勞斷裂失效，是指工件在交變載荷的反復(fù)作用下，在名義應(yīng)力遠(yuǎn)低于材料屈服強(qiáng)度的情況下而發(fā)生斷裂破壞的行為。疲勞破壞過程一般包括裂紋萌生、裂紋擴(kuò)展和最后瞬斷三個階段，是一種累積損傷破壞。疲勞裂紋的起裂點往往位于工件表面(常規(guī)周次疲勞破壞)或內(nèi)部(超高周疲勞破壞)的缺陷處，對該類型失效工件裂紋源的分析關(guān)系到對工件斷裂失效根本原因的鑒別，因而是失效分析中的重要環(huán)節(jié)。然而，由于裂紋擴(kuò)展過程中，工件繼續(xù)處于運行狀態(tài)，斷口的對偶斷面會相互研磨，使得通常情況下裂紋源區(qū)出現(xiàn)嚴(yán)重的研磨痕跡，從而掩蓋裂紋最初擴(kuò)展的痕跡，使得裂紋源的準(zhǔn)確位置難以分辨。
[0003]目前，在軸類工件的失效分析領(lǐng)域，檢查斷口的技術(shù)手段通常為依靠掃描電子顯微鏡(Scanning electron microscope, SEM)的二次電子像和能量色散X射線譜(Energydispersive X-ray spectroscopy，EDS)的元素分析。兩種技術(shù)的結(jié)合可以較好的實現(xiàn)對斷口斷裂性質(zhì)的判斷。二次電子像可以清晰的呈現(xiàn)樣品表面有高低起伏的微觀形貌，對斷口性質(zhì)的判斷(例如，是脆性斷口還是塑性斷口 ；是沿晶斷裂還是穿晶斷裂等)具有非常重要的作用。然而對于經(jīng)受了研磨損傷的裂紋源區(qū)，其原本表面高低起伏的微觀形貌特征均已被磨平，通過二次電子像已很難追蹤到裂紋源的準(zhǔn)確位置。能量色散X射線譜能夠從元素分析的角度輔助對軸類工件斷口的分析檢查。如果斷口的裂紋源區(qū)是由元素的偏聚和夾雜等現(xiàn)象引起的，則可以通過元素分析進(jìn)行辨別，以找到造成此類工件斷裂的根本原因。然而，能譜檢測器的分辨率較低，約為160eV，并且能譜儀中因Si(Li)檢測器的鈹窗口限制了超輕元素的測量，因此對原子序數(shù)小于11的碳(C)、氮(N)、氧(0)等元素的分析結(jié)果并不準(zhǔn)確，而這些元素往往是軸類工件中夾雜物含有的元素。因此，依靠二次電子像和能譜元素分析無法很好的確定軸類工件疲勞斷裂斷口裂紋源的位置和產(chǎn)生裂紋源的原因，這正是本發(fā)明所要解決的關(guān)鍵問題。
[0004]文獻(xiàn)“航空發(fā)動機(jī)主軸軸承保持架疲勞斷裂機(jī)理”只能從工件斷口的二次電子像中給出疑似的裂紋源區(qū)，很難找到裂紋源的準(zhǔn)確位置。文獻(xiàn)“35CrMo調(diào)質(zhì)齒輪彎曲疲勞斷齒失效分析”只能從工件斷口的宏觀形貌圖片和二次電子像中給出疑似的裂紋源區(qū)，很難找到裂紋源的準(zhǔn)確位置。文中雖指出了裂紋源處存在夾雜物并提供了 EDS元素分析證明，但是并沒有直觀的顯示夾雜物存在的位置。
[0005]綜上所述，分辨軸類工件斷口表面裂紋源區(qū)的準(zhǔn)確位置還沒有有效的方案，而發(fā)展更加有效、直觀的方法以分辨軸類工件斷口表面裂紋源區(qū)的準(zhǔn)確位置及分析其產(chǎn)生原因，既具有必要性又具有緊迫性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在不足，提供一種軸類工件斷裂失效裂紋源的識別方法，它具有準(zhǔn)確、清晰、直觀、不損壞樣品及操作簡易的優(yōu)點。
[0007]為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案為:
[0008]電子探針X射線顯微分析方法在檢測軸類工件斷裂失效裂紋源中的應(yīng)用。
[0009]一種軸類工件斷裂失效裂紋源的識別方法，包括如下步驟:
[0010]I)樣品前處理:對樣品進(jìn)行切割后，對樣品斷口進(jìn)行清洗，保護(hù)斷口表面不被破壞；
[0011]2)利用電子探針X射線顯微分析儀對樣品斷口進(jìn)行背散射圖像采集；對背散射圖像反映出的灰度不同的區(qū)域進(jìn)行波譜元素定性分析，確定斷口起裂區(qū)附近表面不同特征區(qū)域的主要成分；根據(jù)背散射圖像及元素定性分析結(jié)果，對斷口表面疑似起裂區(qū)位置進(jìn)行微區(qū)元素面分析；根據(jù)工件斷口的背散射圖像及元素面分析結(jié)果，識別斷口起裂點的準(zhǔn)確位置及產(chǎn)生原因。
[0012]優(yōu)選的，步驟I)中，預(yù)處理后的樣品的厚度為10-15mm，樣品的長和寬均小于50mm。切割好的樣品可以放置在儀器的檢測臺上，方便檢測。
[0013]優(yōu)選的，步驟I)中，對樣品斷口進(jìn)行清洗的方法，包括如下步驟:首先用有機(jī)溶劑對斷口表面進(jìn)行超聲清洗10-15min。清洗后的斷口更容易進(jìn)行識別。
[0014]進(jìn)一步優(yōu)選的，若樣品斷口表面被腐蝕，用有機(jī)溶劑對斷口進(jìn)行清洗后，再用2-5%稀鹽酸，超聲波清洗l-3min，當(dāng)斷口表面多處的腐蝕產(chǎn)物被清理干凈時，停止清洗，進(jìn)行斷口檢查；如果清洗效果不明顯，則改用6-10%稀鹽酸進(jìn)行清洗。
[0015]若斷口表面被腐蝕，對腐蝕產(chǎn)物進(jìn)行清洗時，不能將斷口表面所有腐蝕產(chǎn)物全部清洗干凈，因為如果將腐蝕產(chǎn)物徹底清洗干凈，則斷口表面的微觀特征已被完全破壞，不能達(dá)到裂紋源識別的目的。
[0016]軸類工件，由于其正常工況下需要潤滑油的保護(hù)，斷裂后會導(dǎo)致斷口表面受到油類物質(zhì)的污染。此后，斷口表面由于暴露在空氣中放置，表面非常容易受到粉塵類物質(zhì)的污染。如果處于具有腐蝕性元素的大氣環(huán)境中，斷口表面還會受到腐蝕破壞，這無疑對斷口表面裂紋源的識別增加了難度。所以在斷口檢查之前對斷口表面進(jìn)行清洗。
[0017]優(yōu)選的，步驟2)中，電子探針X射線顯微分析儀的工作條件為:燈絲電流:28?35 μ A ;加速電壓:10?25KV ;電子束流:50?10nA ;束斑直徑:I μ m?20 μ m ;晶體設(shè)置:通道一:RAP ;通道二:PBST ;通道三:PET ;通道四:LIF。該參數(shù)設(shè)置既可以保證背散射圖像成像的質(zhì)量，又可以保證元素分析時，全周期元素的激發(fā)條件。
[0018]進(jìn)一步優(yōu)選的，所述電子探針X射線顯微分析儀的工作條件為:燈絲電流:32μΑ ;加速電壓:15KV;當(dāng)元素定性分析時，電子束流為10nA;當(dāng)元素面分析時，電子束流為50nAo
[0019]優(yōu)選的，步驟2)中，背散射圖像采集時的參數(shù)設(shè)置為:放大倍數(shù):100x?2000x ;背散射接受范圍:Range 2?Range 3 ;圖像掃描速度:Slowl?Slow3。
[0020]在該參數(shù)設(shè)置下采集的圖像能清洗反映出樣品斷口的形貌。
[0021]優(yōu)選的，步驟2)中，面分析掃描的參數(shù)設(shè)置為:面掃描單點信號采集時間:^ 30.0Oms ;面掃描步長:0.2?0.5 μ m ;面掃描區(qū)域尺寸:彡100 μ mX 100 μ m ;面掃描數(shù)據(jù)點:彡 200 X 200 ο
[0022]該參數(shù)設(shè)置能夠保證在斷口起裂區(qū)進(jìn)行元素面分析時，波譜探測器能夠獲得足夠的信號量，以及元素面分析區(qū)域足以覆蓋起裂區(qū)。
[0023]優(yōu)選的，步驟2)中，在元素定性分析時，電子束流為ΙΟΟηΑ，單點測試時間大于6min，在同一區(qū)域測試若干個不同位置，取平均值。該參數(shù)設(shè)置能夠保證在元素定性分析時，全周期元素的激發(fā)條件，以及波譜探測器能夠獲得足夠的信號量。
[0024]進(jìn)一步優(yōu)選的，步驟2)中，在元素定性分析時，在同一區(qū)域測試3個不同位置，取平均值。
[0025]本發(fā)明的工作原理如下:
[0026]利用鎢燈絲所發(fā)射的細(xì)聚焦電子束轟擊軸類工件斷口表面的疑似裂紋源區(qū)域，通過電子與斷口表面物質(zhì)的相互作用，產(chǎn)生出反映被激發(fā)區(qū)的化學(xué)組分和物理性質(zhì)特征的各種物理信息，通過檢測顯示、數(shù)據(jù)處理等程序，從而獲得斷口裂紋源區(qū)的物理、化學(xué)性質(zhì)方面的數(shù)據(jù)資料，以辨識斷口裂紋源的準(zhǔn)確位置和特征信息。
[0027]經(jīng)過聚焦的高能量電子束轟擊斷口表面根據(jù)莫塞萊定律，特征X射線的波長與產(chǎn)生X射線的元素的原子序數(shù)的平方成正比。因此，根據(jù)特征X射線的波長和強(qiáng)度，就能確定是何種元素及其含量。但是在分析過程中要求入射電子束的能量必須大于某元素原子的內(nèi)層電子臨界電離激發(fā)能。不同類別的物質(zhì)需要設(shè)置不同的工作條件，還必須進(jìn)行一系列的修正，才能正確測出元素的含量。
[0028]電子探針的元素分析和背散射圖像的結(jié)合可以很好地反映軸類工件斷口的裂紋源區(qū)域的信息。背散射圖像是由背散射電子所成的像，背散射電子是指被固體樣品原子反射回來的一部分入射電子，其中包括彈性背散射電子和非彈性背散射電子。背散射電子的數(shù)量隨原子序數(shù)的增加而增加，所以，利用背散射電子作為成像信號不僅能分析形貌特征，也可以用來顯示原子序數(shù)襯度，進(jìn)行定性成分分析。
[0029]由于斷裂軸類工件斷口表面的裂紋源往往存在元素聚集、夾雜等缺陷，利用背散射圖像結(jié)合電子探針對裂紋源區(qū)進(jìn)行元素面掃描，可以清晰地分辨斷口裂紋源的準(zhǔn)確位置，并且可以幫助判斷裂紋源產(chǎn)生的原因。
[0030]現(xiàn)有技術(shù)中沒有人利用電子探針X射線顯微分析儀對軸類工件斷裂失效裂紋源進(jìn)行識別，我們所公知的電子探針是利用聚焦的高能電子束轟擊固體表面，使被轟擊的元素激發(fā)出特征X射線，按其波長及強(qiáng)度與固體表面微區(qū)進(jìn)行定性及定量化學(xué)分析，主要用來分析固體表面的細(xì)小顆?；蛭⑿^(qū)域，與工件斷口裂紋源識別有較大差別。另外，現(xiàn)有技術(shù)中可以分析斷口的儀器方法很多，本領(lǐng)域技術(shù)人員很難將電子探針與工件斷裂失效裂紋源識別聯(lián)系起來，一是因為沒有人利用電子探針進(jìn)行過類似試驗，二是因為本領(lǐng)域技術(shù)人員無法預(yù)知該儀器識別工件斷口裂紋源的效果，不同類別的物質(zhì)需要設(shè)置不同的工作條件，還必須進(jìn)行一系列的修正，才能正確測出元素的含量。各種參數(shù)的準(zhǔn)確測定，才能夠保證最后識別結(jié)果的準(zhǔn)確性，而各種參數(shù)的測定過程需要發(fā)明人憑借其多年工作的經(jīng)驗進(jìn)行不斷的修正，不斷探索，才能確定最佳的測量條件，這是需要付出創(chuàng)造性勞動的，所以本發(fā)明的方法不是顯而易見的。
[0031]本發(fā)明的有益效果為:
[0032]1、電子探針(電子探針X射線顯微分析儀(Electron Probe M