破損分析直接的目的是要找出機件發生破損的原因,將分析結果回饋給設計者、製造者以及操作人員,避免由於同樣的錯失導致機件的早期破損。而更積極的用意則是藉著破損分析的整理和歸納,對材料特性更深入的瞭解,引導設計者在機件的設計、選材上更臻完善,避免製造上的缺失以及操作上的不當,俾使機件完全發揮其功能,並達到預期的使用壽命。另外,破損分析過程或結果亦可能促使測試技術的發展,品質要求基準的衡量與建立,以及新的科學或工程領域的被探討。
破損的定義與種類
零件或組件在下列四種情況下,被認為已經破損包括:(1)完全不能繼續使用(例如已經斷裂、穿孔等)、(2)還可以操作,但不足以執行令人滿意的功能(例如磨損)、(3)有相當程度的損壞,繼續使用已不可靠或不安全(例如已有裂痕、塑變等)、(4).半成品或成品不能滿足品管要求或預期功能。
機件發生破損的原因與型態有多種,大致上可分成製程破損與使用中破損二大類,製程破損包括最常見的淬火破裂、回火破裂、研磨破裂、鍛造破裂和焊接破裂等。而使用中破損者,包括延性破裂、脆性破裂、疲勞破裂、腐蝕和磨損等。受限於篇幅,不在此一一詳述,僅針對最常見的疲勞破裂型態做說明。
所謂疲勞破裂其定義是,當機件受到遠低於其抗拉(壓)應力的反覆或變化作用下所產生的斷裂,稱之為疲勞破裂(fatigue failure),此種斷裂是在使用一段時間之後才會發生。
破損分析的流程
破損分析步驟如圖一所示,包括:
1.背景資料的收集和試樣的選擇:(a)資料的收集應包括:設計的規格、材料的選用以及生產製程等細節,甚至對於經過相關測試工作的零件,也必須同時紀錄其測試的條件。(b)破壞零組件的外觀須詳細紀錄,可以繪圖或照相的方式記錄其破壞的程度﹙如樣品外觀、位置、形狀、破壞外觀等﹚。(c)試樣的選擇,有時需同時考慮比較已破壞與未破壞的零件,以確定到底是原來的製造品質不良,或是後來的使用條件所造成。
2.破壞零件的初步檢查:(a)初步檢查可先以目視行之,眼睛除了有特別的景深之外,對於大區的檢查,或對顏色與紋理的輕微變化都可感覺。(b)初步檢查也可用放大鏡或立體顯微鏡輔助行之,有時亦利用掃描式 電子顯微鏡做低倍率觀察。放大鏡或立體顯微鏡的倍率最好是10~50倍,藉此工具可以看出破壞的特徵或龜裂的起點。
3.非破壞性檢查:常見的數種非破壞性檢查技術包括:液體滲透探傷﹙Liquid-penetrant inspection,PT﹚、磁粉探傷﹙Magnetic-particle inspection, MT﹚、超音波探傷﹙Ultrasonic inspection, UT﹚、渦電流檢驗﹙Eddy-current inspection, ET﹚以及X光探傷等,至於該選用何種探傷技術,則視被檢驗樣品的尺寸、材質與狀態而定。
圖一、破損分析的流程示意圖
(資料來源:工研院材化所/工業材料雜誌第253期)
4.微觀檢查:微觀檢查可使用光學金相顯微鏡(OM)、掃描式電子顯微鏡(SEM)、穿透式電子顯微鏡(TEM)等。光學金相顯微鏡是一般金相室最常用的儀器,使用倍率在20X~1500X之間,解像力(Resolution power)在2000A左右,主要功能在觀察裂痕走向(Crack-path)、金相組織、介在物分佈、結晶粒度、偏析、第二相析出等。拋光狀況及已蝕刻試片的金相檢查是破壞分析中除了SEM觀察外的另一個最重要的工作,金相檢查可提供破壞分析者做為材料是否正常,以及材料的等級等之判斷。同時也可瞭解組織在使用中,是否受溫度、應力、摩擦等之作用而發生變化。在裂縫的金相檢查中,必須觀察裂縫末梢的狀況,因裂縫末梢裂口小,較不易受損傷或腐蝕,在此區可看出破裂誓沿晶或者是穿晶。至於疲勞裂縫的金相檢查,則應把觀察重點放在破裂起始區,尋找是否有不正常存在。
掃描式電子顯微鏡(SEM)是最有利且常用的儀器,它的特性是(a)焦距景深(Depth of focus)長(在1萬倍時1m,10倍時2㎜),有立體效果;(b)解像力約100A左右,有效的放大倍率可達10000~60000倍;(c)可直接做破斷面觀察,最適合於破斷面的觀察與分析。如果加裝EDS設備,則能做點、微區所含不同元素的化學成份、線掃描(Line scans)及面元素分佈(X-ray mapping)之成份分析,使偏析、介在物、析出物或腐蝕生成物都能很快地分辨出來,對裂痕的起始與延伸分析上有很大的幫助。SEM微觀檢查往往可以確認破損型態,譬如是,具酒窩型(Dimples)的延性破斷、具疲勞條紋(Fatigue striations)之疲勞破斷、具穿晶劈裂(Cleavage)的脆性破斷、具沿晶破裂的潛變破斷等等。尤其對於破裂起始點與缺陷、介在物等的關係可得到進一步的結果。
5.化學分析:常用的化學分析技術有放射光譜分析、原子吸收光譜、感應偶合電漿原子放射光譜和傳統溼式分析等可分析溶解的金屬濃度;燃燒法可分析碳、硫、氮、氫、氧等元素;X-光螢光分析能分析結晶質和非晶質的固體,亦可分析液體及氣體;紅外線和紫外線光譜光譜則用於分析有機物質,例如,溶劑、油、脂、橡膠、塑膠等。另一個最重要的化學分析方法是,在破損件表面、破斷面及其沉積物的微分析或表面分析,目前應用最普遍的方法是利用掃描式電子顯微鏡(SEM)配合X光能量散佈光譜儀(EDS),或X光波長散佈光譜儀(WDS)。其中SEM/EDS使用上最為方便,可以允許較大的試片,且分析的速度較快。而SEM/WDS或者是電子探針微分析儀(EPMA)試片限制較多,須要求平坦,且分析速度稍慢,但偵測極限值小,對於含量少的元素之分析較為準確,且部份元素在EDS中不易辨認,而WDS則毫無問題。一般的SEM/EDS或SEM/WDS,其X光激發的範圍或深度約1μm。假如需要做更淺的表層分析,則可應用歐傑電子光譜儀(AES),二次離子質譜儀(SIMS)等。
6.決定破壞機構或型態:首先須瞭解各項破壞型態的外觀特徵,如延性破壞、穿晶脆性破壞、沿晶脆性破壞,疲勞破壞和潛變破壞等。且往往必須綜合巨觀與微觀觀察的結果,加上由應力形式,環境因素以及金相組織等分析,再做綜合研判,以決定破壞型態或機構。
7.模擬試驗:往往因為操作環境及狀況複雜,不易完全掌握或瞭解,因此模擬實驗並不易進行。但若能掌握或瞭解其限制,模擬試驗不失為破壞分析結果的有力佐證。
8.綜合分析和報告整理:包括下列項目:(a)破壞零件的描述、(b)破壞時的使用狀況、(c)先前的使用歷程、(d)零件的製造和處理過程、(e)機械和冶金上的探討、(f)冶金上品質的評估、(g)發生破壞的機構以及(h)預防類似破壞的建議。
案例分析-大客車巴士疊板彈簧斷裂原因分析
(一)、背景資料:
此樣品為大客車巴士之後輪使用之疊板彈簧樣品,如圖二所示,斷裂處接近固定端,疊板彈簧與固定座之防塵蓋在無負荷下只有10mm間隙,在重負荷下兩者可能會碰撞。疊板彈簧材質為SUP9A,表面硬度要求331~495HV,心部硬度要求425~495HV。
圖二、斷裂之疊板彈簧樣品
(資料來源:工業材料雜誌第253期)
(二)、調查結果:
1.破斷面外觀觀察
觀察疊板彈簧的破斷面,可發現其破斷面有下列特徵:
(1) 斷裂發生於接近彈簧固定端之彈簧平板片與捲曲交接處,如圖三所示。
(2) 破損彈簧表面有壓痕,彈簧橫向兩側之壓痕深度不一,如圖四,顯示彈簧之形變曾經大到足以使其碰及防塵蓋而留下壓痕,此狀況造成彈簧在固定端上表面承受不預期的張應力。而壓痕深度不一則表示彈簧橫向兩側之碰撞力或壓入位移量不同,亦即彈簧板片不只承受不預期的彎曲應力,也承受額外扭力。
圖三、破損疊板彈簧之外觀,斷裂發生於彈簧片平板與捲曲交接處,如箭頭指示(資料來源:工業材料雜誌第253期)
圖四、破損彈簧另一角度的外觀,彈簧表面有壓痕,如箭頭A所指,箭頭B的一邊有較深壓痕(資料來源:工業材料雜誌第253期)
(3) 彈簧破斷面上有典型的疲勞破裂(Fatigue fracture)特徵-海灘紋(Beach marks。又稱Shell marks,貝殼紋),可看到兩處相當接近的破裂起始點。疲勞破裂成長區相當平整,其面積佔全破斷面面積的3/4以上。而破斷面除了疲勞破裂成長區以外的部分即是最後破斷區,其面積不及全破斷面面積的1/4,如圖五所示,顯示彈簧之最後斷裂之瞬間破壞應力並不大,可見彈簧的安全係數不會很低。
圖五、破斷面近寫,海灘紋如箭頭A所指,箭頭B及C指示不同的破裂起始處(資料來源:工業材料雜誌第253期)
(4) 彈簧破斷面與彈簧板片縱向呈約67夾角,如圖六所示,而非承受純粹彎曲應力應呈現的90破斷,此特徵再次提供了彈簧板片除了承受彎曲應力外,同時承受額外扭力的證據。
圖六、破損彈簧的一塊,彈簧表面有壓痕,如箭頭A、B所指,破裂起始於箭頭C彈簧板片受彈簧捲邊壓傷之壓痕的邊緣(資料來源:工業材料雜誌第253期)
2.硬度測試
將彈簧樣品依金相試片準備方法製作,橫切一小塊加以鑲埋、研磨與拋光後,利用維克氏微硬度試驗機(Vickers micro-hardness tester)進行表面往心部之硬度分布測試,取樣測試位置結果如圖七所示。彈簧之心部硬度大致在435-445HV,符合425-495HV之規格,但平均硬度低於規格中間值20HV。彈簧上表面之硬度分布測試所測得的最低硬度為354HV,彈簧下表面之硬度分布測試所測得的最低硬度為396HV,均符合表面硬度331~495HV的要求,表面硬度比心部硬度稍低的原因通常是因輕微脫碳所造成,此點在金相組織檢查結果中獲得證實。
圖七、彈簧微硬度分布圖
(資料來源:工業材料雜誌第253期)
3. 金相組織檢查
經鑲埋、研磨、拋光及微硬度測試之試片以3%Nital浸蝕液浸蝕後,利用光學顯微鏡觀察金相組織,結果如圖八所示,彈簧之金相組織均為回火麻田散鐵(Tempered martensite),金相組織並不粗大,熱處理應無過熱情形。彈簧下表面沒有明顯脫碳層。彈簧上表面則稍有脫碳現象,深度約0.04mm。
圖八、以3% Nital浸蝕液浸蝕後之金相組織
(資料來源:工業材料雜誌第253期)
(三)、討論:
1. 從學理上來說,疲勞破壞型態的特徵是,在斷裂面上具有一平滑區,該區是由裂痕往橫截面成長時的摩擦作用產生的。另外也具有一粗糙區,該區是當橫截面面積已不足以支撐荷重時,所產生的延性斷裂造成的。疲勞破壞型態的另一特徵是,在斷裂面上常可看到一些由斷裂起始點往外擴張的環狀條紋,或稱為海灘紋(beach marks)。
2. 從斷裂彈簧破斷面存在海灘紋可判斷,彈簧的破損型態是疲勞破壞。疲勞裂縫自起始點發生後逐步成長,直至疲勞破裂成長區面積佔全破斷面面積的3/4以上時,才導致過負荷的瞬間破壞,此瞬間破壞之最後破斷的面積不及全破斷面面積的1/4,顯示彈簧在最後斷裂之瞬間破壞應力並不大,可見彈簧的安全係數不會很低。
3. 彈簧疲勞破裂起始於彈簧板片受彈簧捲邊壓傷之壓痕的邊緣,此壓痕的邊緣成為彈簧受力時的應力集中所在,同時並造成邊緣殘留張應力,使疲勞裂縫容易生成,此初期裂縫的形成是決定疲勞壽命最重要的關鍵,因為當此疲勞裂縫產生後,在承受應力時,裂縫尖端將有很大的應力集中效應,破裂極易成長,即使是在低應力下操作,裂縫照樣繼續延伸,尤其是硬脆材料(如本件之硬化高碳鋼彈簧),就是在極低的應力下操作,裂縫還是繼續生長。
4. 由破損彈簧表面的壓痕來看,彈簧之形變曾經大到足以使其碰及防塵蓋而深度不一的留下壓痕,此狀況造成彈簧在固定端上表面承受不預期的張應力與額外扭力,此點應檢討防塵蓋與彈簧距離太近或者彈簧是否曾經過負荷操作。另外,若彈簧板片只純粹承受彎曲應力,彈簧破斷面與彈簧板片縱向將呈現約90°之破斷,而彈簧實際破斷夾角約67°,此角度特徵再次提供了彈簧板片除了承受不預期的彎曲應力並同時承受額外扭力的證據。
5. 綜上所述,彈簧破斷的歷程是:行車中彈簧曾經形變大到足以使其碰及彈簧捲邊而留下壓痕,成為疲勞破裂的起始點,並在之後的行車中破裂繼續成長,終至發生瞬間過負荷破壞。
6. 建議適度提高彈簧硬度值(如由現有440HV提高至還在規格內的470HV),以提高彈簧疲勞強度,使疲勞裂縫不易生成,可增加疲勞壽命。
7. 建議檢討彈簧鄰近結構設計及彈簧組裝,避免行車過程彈簧碰及防塵蓋,即可增長彈簧使用壽命。
8. 建議彈簧應盡量避免脫碳層的產生並在組裝前加以去除。
作者:胡鴻章
出處:工業材料雜誌253期
★詳全文:https://www.materialsnet.com.tw/DocView.aspx?id=6592