一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种工程关键构件断裂失效分析方法，尤其涉及一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法。
【背景技术】
[0002]轴类工件是传动系统中的重要构件。该类工件的断裂失效通常会导致整个机器的故障。尤其对于大型设备，轴类工件的断裂失效可能会引起重大安全事故。因此，对断裂的轴类工件进行失效分析，并在此基础上提出措施，预防此类事故的发生，对失效事故原因鉴定、事故预防，保障工业生产的正常运行等具有重要的作用和意义。由于轴类工件在正常工况下会受到交变载荷的作用(一般为交变弯曲和扭转载荷)，由此类载荷引起的疲劳断裂成为轴类工件最常见的一种失效形式。疲劳断裂失效，是指工件在交变载荷的反复作用下，在名义应力远低于材料屈服强度的情况下而发生断裂破坏的行为。疲劳破坏过程一般包括裂纹萌生、裂纹扩展和最后瞬断三个阶段，是一种累积损伤破坏。疲劳裂纹的起裂点往往位于工件表面(常规周次疲劳破坏)或内部(超高周疲劳破坏)的缺陷处，对该类型失效工件裂纹源的分析关系到对工件断裂失效根本原因的鉴别，因而是失效分析中的重要环节。然而，由于裂纹扩展过程中，工件继续处于运行状态，断口的对偶断面会相互研磨，使得通常情况下裂纹源区出现严重的研磨痕迹，从而掩盖裂纹最初扩展的痕迹，使得裂纹源的准确位置难以分辨。
[0003]目前，在轴类工件的失效分析领域，检查断口的技术手段通常为依靠扫描电子显微镜(Scanning electron microscope, SEM)的二次电子像和能量色散X射线谱(Energydispersive X-ray spectroscopy，EDS)的元素分析。两种技术的结合可以较好的实现对断口断裂性质的判断。二次电子像可以清晰的呈现样品表面有高低起伏的微观形貌，对断口性质的判断(例如，是脆性断口还是塑性断口 ；是沿晶断裂还是穿晶断裂等)具有非常重要的作用。然而对于经受了研磨损伤的裂纹源区，其原本表面高低起伏的微观形貌特征均已被磨平，通过二次电子像已很难追踪到裂纹源的准确位置。能量色散X射线谱能够从元素分析的角度辅助对轴类工件断口的分析检查。如果断口的裂纹源区是由元素的偏聚和夹杂等现象引起的，则可以通过元素分析进行辨别，以找到造成此类工件断裂的根本原因。然而，能谱检测器的分辨率较低，约为160eV，并且能谱仪中因Si(Li)检测器的铍窗口限制了超轻元素的测量，因此对原子序数小于11的碳(C)、氮(N)、氧(0)等元素的分析结果并不准确，而这些元素往往是轴类工件中夹杂物含有的元素。因此，依靠二次电子像和能谱元素分析无法很好的确定轴类工件疲劳断裂断口裂纹源的位置和产生裂纹源的原因，这正是本发明所要解决的关键问题。
[0004]文献“航空发动机主轴轴承保持架疲劳断裂机理”只能从工件断口的二次电子像中给出疑似的裂纹源区，很难找到裂纹源的准确位置。文献“35CrMo调质齿轮弯曲疲劳断齿失效分析”只能从工件断口的宏观形貌图片和二次电子像中给出疑似的裂纹源区，很难找到裂纹源的准确位置。文中虽指出了裂纹源处存在夹杂物并提供了 EDS元素分析证明，但是并没有直观的显示夹杂物存在的位置。
[0005]综上所述，分辨轴类工件断口表面裂纹源区的准确位置还没有有效的方案，而发展更加有效、直观的方法以分辨轴类工件断口表面裂纹源区的准确位置及分析其产生原因，既具有必要性又具有紧迫性。
【发明内容】
[0006]本发明为了解决现有技术中存在不足，提供一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法，它具有准确、清晰、直观、不损坏样品及操作简易的优点。
[0007]为了实现上述目的，本发明的技术方案为:
[0008]电子探针X射线显微分析方法在检测轴类工件断裂失效裂纹源中的应用。
[0009]一种轴类工件断裂失效裂纹源的识别方法，包括如下步骤:
[0010]I)样品前处理:对样品进行切割后，对样品断口进行清洗，保护断口表面不被破坏；
[0011]2)利用电子探针X射线显微分析仪对样品断口进行背散射图像采集；对背散射图像反映出的灰度不同的区域进行波谱元素定性分析，确定断口起裂区附近表面不同特征区域的主要成分；根据背散射图像及元素定性分析结果，对断口表面疑似起裂区位置进行微区元素面分析；根据工件断口的背散射图像及元素面分析结果，识别断口起裂点的准确位置及产生原因。
[0012]优选的，步骤I)中，预处理后的样品的厚度为10-15mm，样品的长和宽均小于50mm。切割好的样品可以放置在仪器的检测台上，方便检测。
[0013]优选的，步骤I)中，对样品断口进行清洗的方法，包括如下步骤:首先用有机溶剂对断口表面进行超声清洗10-15min。清洗后的断口更容易进行识别。
[0014]进一步优选的，若样品断口表面被腐蚀，用有机溶剂对断口进行清洗后，再用2-5%稀盐酸，超声波清洗l-3min，当断口表面多处的腐蚀产物被清理干净时，停止清洗，进行断口检查；如果清洗效果不明显，则改用6-10%稀盐酸进行清洗。
[0015]若断口表面被腐蚀，对腐蚀产物进行清洗时，不能将断口表面所有腐蚀产物全部清洗干净，因为如果将腐蚀产物彻底清洗干净，则断口表面的微观特征已被完全破坏，不能达到裂纹源识别的目的。
[0016]轴类工件，由于其正常工况下需要润滑油的保护，断裂后会导致断口表面受到油类物质的污染。此后，断口表面由于暴露在空气中放置，表面非常容易受到粉尘类物质的污染。如果处于具有腐蚀性元素的大气环境中，断口表面还会受到腐蚀破坏，这无疑对断口表面裂纹源的识别增加了难度。所以在断口检查之前对断口表面进行清洗。
[0017]优选的，步骤2)中，电子探针X射线显微分析仪的工作条件为:灯丝电流:28?35 μ A ;加速电压:10?25KV ;电子束流:50?10nA ;束斑直径:I μ m?20 μ m ;晶体设置:通道一:RAP ;通道二:PBST ;通道三:PET ;通道四:LIF。该参数设置既可以保证背散射图像成像的质量，又可以保证元素分析时，全周期元素的激发条件。
[0018]进一步优选的，所述电子探针X射线显微分析仪的工作条件为:灯丝电流:32μΑ ;加速电压:15KV;当元素定性分析时，电子束流为10nA;当元素面分析时，电子束流为50nAo
[0019]优选的，步骤2)中，背散射图像采集时的参数设置为:放大倍数:100x?2000x ;背散射接受范围:Range 2?Range 3 ;图像扫描速度:Slowl?Slow3。
[0020]在该参数设置下采集的图像能清洗反映出样品断口的形貌。
[0021]优选的，步骤2)中，面分析扫描的参数设置为:面扫描单点信号采集时间:^ 30.0Oms ;面扫描步长:0.2?0.5 μ m ;面扫描区域尺寸:彡100 μ mX 100 μ m ;面扫描数据点:彡 200 X 200 ο
[0022]该参数设置能够保证在断口起裂区进行元素面分析时，波谱探测器能够获得足够的信号量，以及元素面分析区域足以覆盖起裂区。
[0023]优选的，步骤2)中，在元素定性分析时，电子束流为ΙΟΟηΑ，单点测试时间大于6min，在同一区域测试若干个不同位置，取平均值。该参数设置能够保证在元素定性分析时，全周期元素的激发条件，以及波谱探测器能够获得足够的信号量。
[0024]进一步优选的，步骤2)中，在元素定性分析时，在同一区域测试3个不同位置，取平均值。
[0025]本发明的工作原理如下:
[0026]利用钨灯丝所发射的细聚焦电子束轰击轴类工件断口表面的疑似裂纹源区域，通过电子与断口表面物质的相互作用，产生出反映被激发区的化学组分和物理性质特征的各种物理信息，通过检测显示、数据处理等程序，从而获得断口裂纹源区的物理、化学性质方面的数据资料，以辨识断口裂纹源的准确位置和特征信息。
[0027]经过聚焦的高能量电子束轰击断口表面根据莫塞莱定律，特征X射线的波长与产生X射线的元素的原子序数的平方成正比。因此，根据特征X射线的波长和强度，就能确定是何种元素及其含量。但是在分析过程中要求入射电子束的能量必须大于某元素原子的内层电子临界电离激发能。不同类别的物质需要设置不同的工作条件，还必须进行一系列的修正，才能正确测出元素的含量。
[0028]电子探针的元素分析和背散射图像的结合可以很好地反映轴类工件断口的裂纹源区域的信息。背散射图像是由背散射电子所成的像，背散射电子是指被固体样品原子反射回来的一部分入射电子，其中包括弹性背散射电子和非弹性背散射电子。背散射电子的数量随原子序数的增加而增加，所以，利用背散射电子作为成像信号不仅能分析形貌特征，也可以用来显示原子序数衬度，进行定性成分分析。
[0029]由于断裂轴类工件断口表面的裂纹源往往存在元素聚集、夹杂等缺陷，利用背散射图像结合电子探针对裂纹源区进行元素面扫描，可以清晰地分辨断口裂纹源的准确位置，并且可以帮助判断裂纹源产生的原因。
[0030]现有技术中没有人利用电子探针X射线显微分析仪对轴类工件断裂失效裂纹源进行识别，我们所公知的电子探针是利用聚焦的高能电子束轰击固体表面，使被轰击的元素激发出特征X射线，按其波长及强度与固体表面微区进行定性及定量化学分析，主要用来分析固体表面的细小颗粒或微小区域，与工件断口裂纹源识别有较大差别。另外，现有技术中可以分析断口的仪器方法很多，本领域技术人员很难将电子探针与工件断裂失效裂纹源识别联系起来，一是因为没有人利用电子探针进行过类似试验，二是因为本领域技术人员无法预知该仪器识别工件断口裂纹源的效果，不同类别的物质需要设置不同的工作条件，还必须进行一系列的修正，才能正确测出元素的含量。各种参数的准确测定，才能够保证最后识别结果的准确性，而各种参数的测定过程需要发明人凭借其多年工作的经验进行不断的修正，不断探索，才能确定最佳的测量条件，这是需要付出创造性劳动的，所以本发明的方法不是显而易见的。
[0031]本发明的有益效果为:
[0032]1、电子探针(电子探针X射线显微分析仪(Electron Probe M