失效分析要点

1、1.2 失效分析预测预防的基本概念失效是指产品丧失其规定的功能的现象。1. 失效与机械失效国家标准定义：“失效（故障）产品丧失规定的功能。对可修复产品通常也称故障。”“机械失效是指机械零部件、装置或系统在制造或服役过程中丧失其规定功能而不能履行服役任务或不能继续可靠地服役的现象。因此，机械失效亦称不可接受的故障。”核心问题 “产品丧失规定功能”3. 机械损伤机械损伤：指冶炼、冷热工艺过程或载荷、温度、环境等的作用，使材料的微观结构发生变化，引起微缺陷成胚、孕育、扩展和汇合，导致材料宏观力学性能的劣化，最终形成宏观破断失效。4. 失效的模式、原因和机理失效的模式：指失效的外在宏观表现形式和过程规

2、律，即失效的宏观现象；失效的原因：指酿成失效的主要影响因素；失效的机理：指失效的主要控制机制，即物理、化学变化本质和微观过程；类 比：模式是指病症（外在表现），原因是指病因（起源），机理是指病理。9. 失效和事故 失效强调过程，而事故一般是突出后果，是指产品故障或失效导致意外的人员伤亡和物质损失事件的发生。10肇事失效件与相关件肇事失效件：泛指直接导致其它机件失效的机件，而特指直接导致机械失效甚至造成机械事故的机件。（叶片失效）相关件（相关失效件）：泛指对其它机件的失效有直接影响的机件。（机匣内壁磨叶片）受害失效件（或受害件）：泛指受其它失效件的危害而失效的机件，而该机件对其它机件的失效没有直

3、接的影响。（发动机机匣被叶片击穿）失效分析预测预防的工作内容（1）调查；（2）判断失效模式；（3）查找失效原因；（4）探讨失效机理及其与失效模式的关系；（5）失效后果分析；（6）合理制定失效判据；（7）失效的数理统计分析；（8）模拟再现和失效预测；（9）明确产品失效责任；（10）提出防止再失效的对策和技术措施，注意可能有新的失效因子出现，写出分析报告。3. 按失效机理分类1.7 失效分析的分类失效分析的分类一般按分析的目的不同可分为：（1）狭义的失效分析：主要目的在于找出引起产品失效的直接原因。（2）广义的失效分析：不仅要找出引起产品失效的直接原因，而且要找出技术管理方面的薄弱环节（人为因素等

4、）。（3）新品研制阶段失效分析：对失效的研制品进行失效分析。（4）产品试用阶段失效分析：对失效的试用品进行失效分析。（5）定性产品使用阶段的失效分析：对失效的定性产品进行失效分析。（6）修理品使用阶段失效分析：对失效修理品进行失效分析。1.8.1 失效分析技术及种类（1）感官诊断 分析技术：视觉检查；听觉检查；嗅觉检查；触觉检查。（2）理化检测 分析技术：失效形貌观察分析技术；化学成分分析技术；力学性能和断裂韧性测试技术；金相组织和夹杂物观测与分析技术；缺陷检测技术等。（3）无损检测 分析技术：放射线探伤；电磁探伤；声学法探伤；渗透法探伤；热试验探伤；磁粉探伤；激光全息检测；计算机辅助断层成像

5、（CT）；应力测试等。（4）痕迹检查 分析技术：感官检查；宏观形貌拍摄；金相检验；微观形貌分析；微区成分分析；污染物成分分析；腐蚀产物鉴别；表面性能测试；表面残余应力测定；表面晶体结构和原子状态分析等。（5）医学诊断 分析技术：有关人员的生理和心理因素分析；致死和致伤原因分析。1.9 机械失效的预防技术（1）抗断裂失效设计技术（2）精细制造工艺与质量控制技术（3）表面防护与强化技术（4）正确使用与故障监控检测技术（5）故障排除与修理技术1.10 失效分析人员应具备的基本素质 （1）彻底的求实精神，在任何情况下都要坚持实事求是，以事实为依据，勇于坚持真理，摆脱干扰，修正错误。（2）敏锐的观察力和

6、熟练的分析技术，善于利用一切手段（包括先进的仪器、设备）捕捉失效的信息和证据。（3）正确的失效分析思路和良好的失效模式、失效原因判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”。（4）善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事的人们学习。（5）要有扎实的专业基础知识和较广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。（6）要有良好的协作精神和一定的组织工作能力，因为多数失效分析工作要靠不同学科背景和不同经验的科技人员共同合作方可完成。2.1失效分析思路的具体含义：失效分析思路指导失效分析全过程的思维路线（失效分析的灵魂） 指在思想中以机械失效的规律（即宏观表象特征和微观过程机理）为理论依据，

7、把通过调查、观察和实验获得的失效信息（失效对象、失效现象、失效环境等）分别加以考虑，然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察，以获取的客观事实为证据，全面应用逻辑推理的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。 失效分析思路把失效分析的指导思想、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体，从而达到失效分析的根本目的。三种重要失效件（当前失效件、过去失效件和潜在失效件）需要 联系在一起综合分析：当前失效件指在失效现场调查获得的失效件；过去失效件指历史上曾发生过的与当前失效件同一型号的失效件；潜在失效件在役或返修中的与当前失效件相同型号、履历相似机件。 失效的环境包括介质环境（整体环境、局部环

8、境和具体环境）、应力环境（振动、噪声等）、温度环境、电磁波或放射线辐照环境等。失效分析的思路类型： 原因（根）中间过程（藤）结果或后果（瓜）（1）顺藤摸瓜以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果。这种做法，虽然不能查出失效起始状态的原因(有时也称之为直接原因)，但可揭示过程中间状态直至过程终点之间的一系列因果联系（2）顺藤找根以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因（3）顺瓜摸藤从过程的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因（4）顺根摸藤从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断结果（5）顺瓜摸藤 + 顺藤找根

9、（6）顺根摸藤 + 顺藤摸瓜（7）顺藤摸瓜 + 顺藤找根 （1）（6）都是单向的因果联系推断，（7）则是双向的因果联系推断。2.2 机械失效原因分析方法应遵循五条基本原则和五种基本方法：1. 五条基本原则(1) 整体观念原则(2) 立体性原则 (3) 从现象到本质的原则(4) 动态性原则(5) 两分法原则2. 五种基本方法(1) 相关性方法(2) 抓关键问题的方法(3) 对比的方法(4) 历史的方法（经验的积累）(5) 逻辑方法2.3.1 机械失效原因分析程序设计 需要依据失效分析思路设计科学的失效分析程序，即思路指导程序，程序体现思路。目的：以最小代价（时间、人力、设备、财力等）来获取较科学

10、、准确的分析结论。基本组成环节： 1）失效现场信息调查 (含背景材料收集)； 2）失效肇事件初步研究； 3）失效模式初步判断； 4）确定具体分析思路和工作程序； 5）实施工作程序，查找失效原因； 6）综合分析失效原因； 7）撰写总结报告（包括提出避免新失效的建议）； 8）回访与促进建议的贯彻。2.3.2 机械失效原因分析程序流程图（1）劳动灾害事故的分析程序图（2）工业设备的失效分析程序图2.4 机械失效因果关系直接分析法2.4.1 机械失效原因5M1E逐个因素排除分析法“撒大网”失效原因：操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理。5M1E 【Man(人)、Machine (机器设备

11、)、Material (材料)、Method (工艺制作方法)、Management (管理)、Environment (环境条件)】的失效分析思路。称为“系统法“或“撒大网”逐个因素排除的分析思路。“撒网”逐个因素排除的思路，面面俱到，它怀疑一切，不放过任何一个可疑点，看来十分全面、稳妥、可靠，但在失效分析中难以应用，须知排除100种可能因素，不如肯定一种实际因素；往往在人力、物力、财力和时间方面也不允许这么做；如果编的网本身有漏洞，也会带来麻烦。当找不到任何确切线索时，这是没有办法的办法。直 接 原 因可能的根本原因管 理 失 误（1）辅助工作太差对危险不认识监督训练和安全教育不够设施不当

12、规划、计划不当（2）使用的工具、装置和设施不适当缺乏知识和技能干部的训练不够缺乏适合的作业程序确定的操作程序不合适缺乏自觉性监督安全教育不够适合的作业程序实施不当干部的训练和安全措施不够（3）装置和设施不安全或有毛病对不安全不认识监督安全教育不够干部对训练和安全重视不够设计或选择太差规划、计划、设计不当监督安全教育不够装置、材料和工具不合适维护太差维护和修理体系不当（4）缺乏适当的作业程序省略作业程序操作程序不妥设计者的错误规划、计划、设计不当监督者的错误监督不熟练（5）临时凑合的不安全作业程序训练不当确定的作业程序不当合适的作业程序实施不当监督的安全教育不够干部的训练和安全教育不够监督不当监

13、督的安全教育不够干部的选择和安排不当（6）没有按规定的作业程序实施对需要没强调合适的作业程序实施不当监督的安全教育不够作业程序不清楚操作程序不当（7）对工作不了解指令复杂操作程序、规划、计划和设计不当理解不够干部的选择和安排不当（8）没有意识到有危险指令不当监督的安全教育不够干部的训练的安全意识不够警告不当规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当操作程序不当（9）缺乏适当的工具、装置和设施对需要没认识规划、计划、设计不当监督的安全教育不够供应不当设备、材料和工具不够或不当故 意风气和纪律不好（10）安全设备缺乏对需要没认识规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当监督的安全教育不

14、够干部的安全意识不强可用性不合适设备、材料和工具不合适作业程序不当故 意风气、纪律差，懒惰（11）防护设备缺乏对需要没认识规划、计划、设计不当保安条例、测量方法和设备不当监督的安全教育不够干部的安全意识不强可用性不合适设备、材料和工具不合适作业程序不当故 意风气和纪律差（12）载荷、强度、速度等超过规定极限警告不当保安条例不当适当的作业程序实施不当指令不当干部训练不够缺乏理解干部的选择和安排不当（13）疏忽：对明显的安全惯例的忽视缺乏自觉性保安条例和监督实施不当合适的作业程序实施不当干部的训练不够干部的安全教育不够缺乏理解干部的选择和安排不当（14）疲劳降低了人的警惕性，使人处于催眠状态超过了

15、身体和精神上的承受极限规划、计划、设计不当干部的选择和安排不当操作程序不当（15）行为不轨：故意用劳保用品造成故障士气低落、态度不好监督训练不够干部的选择和安排不当工作分派错误规划、计划、设计不当干部的选择和安排不当干部的训练不够2.4.2 根据机械失效模式因果关系分析法不同的物理或化学过程对应着不同的失效模式。根据零件残骸(含断口)的特征和残留的有关失效过程的信息，首先判断失效模式，根据失效模式，应用现有知识和因果联系即可分析失效的根本原因2.4.3 根据机械服役条件因果关系分析法服役条件相关因素操作、装配、运输、维修、环境介质(1)操作不当：设备在高温、高压、高速和化学环境异常恶劣的条件下

16、工作。(2)装配不当：装配不当引起的失效经常都与机构组件的转动部分或电气组装件有关，有许多装配失误如铆钉孔的布局不合理、螺栓装偏等现象。 (3)运输不当：运输过程引起振动疲劳、海洋环境腐蚀等。 (4)维修不当：当事故重复发生时，必须将维修方法统统重新评价。 (5)环境介质影响：腐蚀产物造成应力集中，引起腐蚀疲劳或应力腐蚀；使用温度反复变化，产生热疲劳断裂；高温条件下金属材料产生蠕变或氧化失效现象。 诱发失效的四大服役条件因素：力、时间、温度和活性环境。2.6 机械失效原因逻辑推理分析法 排除一百种可能性不如证实一种必然性！因此，与“撒大网”逐个因素排除的思路相比，逻辑推理思路具有许多优势和特点

17、，是失效分析的基本思路。 主要方法： 1）归纳推理法2）演绎推理法3）类比推理法4）选择性推理法5）假设性推理法等五种。2.6.1 机械失效原因归纳推理分析法 归纳推理是前提与结论之间有或然性联系的推理。一般说是由个别的事物或现象推出该类事物或现象的普遍性规律的推理。 结论仍具有或然性（即不完全确定性），不可绝对化。2.6.2 机械失效原因演绎推理分析法 演绎推理就是前提与结论之间有必然性联系的推理，或者说是前提与结论之间有蕴涵关系的推理。人们应用(已经由归纳得出)普遍性判断作为前提，从而推出结论，这就是演绎。演绎推理一般说来，是由一般(或普遍)到个别(或特殊)。因此演绎推理的结论所断定的，没

18、有超出前提所断定的范围，具有必然性特点。2.6.3 机械失效原因类比推理分析法 两个或两类事物在许多属性上都相同，便可推出它们在其它属性上也应相同。这就是类比法。类比结论也具有或然性特点。 2.6.4 机械失效原因选择性推理分析法 选择性推理是根据失效事件或事件中某一事实的发生存在着两种以上的可能性可供选择。从否定中求肯定。此即选择性推理。 2.6.5 机械失效原因假设性推理分析法 假设性推理是依据失效事件事实之间的条件联系进行推断的推理方法。特别在证据不足、情况复杂的失效事件分析中，往往要以为数不多的事实和现象为基础，根据已有的知识，提出相应假设(这里要用到归纳或类比推理等)，然后进行推理，

19、得出推论(这里要用到演绎推理)。3.1 失效分析检测技术的种类及选用实验检测技术类型:（1）物理方法；（2）化学方法；（3）力学方法；（4）电子学方法等具体分析和测试技术主要包括：1) 失效形貌的观察和分析技术；2) 化学成分分析技术(包括常规、局部、微区、微量和表面)；3) 力学性能和断裂韧性的测试技术；4) 金属基体组织和第二相以及非金属夹杂物的观测与分析技术；5) 检查零件表面或内部缺陷的无损检测技术。选用实验检测技术遵循的原则：1) 考虑失效分析的实际需要应根据失效分析的具体目的、分析的深度和进度要求、 委托人的经济支付能力、分析任务的难度等因素，来选用有用的检测技术；2) 考虑检测技

20、术的适用性，即这些检测技术是可能实现的和可信的；3) 考虑检测技术的经济性，既选用那些实验费用较低、又能满足具体要求的检测技术。3.2 失效形态观测技术不同类型的失效观象，具有各自不同的失效形态特征。 失效形态的观察和分析可以推断出失效的类型（模式）、机理及其产生的原因。3.2.1 宏观形态观测技术 用肉眼、放大镜或体视显微镜（ 50倍以下）对破断零件进行直接观察与分析的方法，称为失效形态宏观分析法。 宏观分析法是整个机械失效综合分析的基础和关键环节之一。 宏观检验主要解决两个问题：一是失效的属性，二是失效的定性原因。 微观检验则是对属性、原因两个问题的进一步证实。宏观断口学技术通过肉眼直观检

21、查或借助于放大镜、体视显微镜等工具在低倍下进行检查和研究断口形貌特征及断裂类型的一种专门技术。可为失效分析人员迅速提供有关断裂类型、应力状态、断裂起源、裂纹扩展路径、最终断裂部位等多种重要信息，有助于全局上掌握断裂失效特点。断口形貌的宏观分析内容：断裂源区；断裂方向；断口表面光泽与颜色；晶粒大小；断口花样(或花纹)；边缘情况及冶金缺陷等。3.2.2 光学显微分析技术分辨率：光学金相显微镜的极限分辨能力为0.2mm，有效放大倍数1000倍(有效放大倍数定义为人眼分辨能力与仪器分辨能力之比，人眼分辨能力为0.2mm)。 应 用：可以满足大多数机械失效开裂形貌分析、金相组织、第二相和夹杂物的观察。是

22、断口形貌分析的简便工具，可方便地从低倍到高倍进行倍率更换。方式：明场、暗场、偏光操作，适应不同光学特征物形貌观察（显示色彩）。光学金相技术的应用金相分析能提供有关金属材料的基体组织、晶粒度、第二相等参数的定性或定量的观测结果，也能提供关于各种材料缺陷的信息。3.2.3 扫描电镜分析技术扫描电镜的特点和用途 1能直接观察大尺寸试样的原始表面大到100x80x50mm或更大尺寸的试样，对试样的形状、粗糙度无特殊要求。 2试样在样品室中可动的自由度非常大 其它方式显微镜的工作距离只有23mm，只能在两维空间内运动。SEM工作距离大(可大于15mm)，焦深大，试样可在三维空间内观察。 3观察试样的视场

23、大 对于100mm荧光屏尺寸的显像管在20倍时可观察试样的视场范围达5mm。 4景深大，图像富有立体感 SEM的景深比透射电镜大10倍，比光学显微镜大几百倍。富有立体感。 5放大倍数的可变范围很宽，且不用经常对焦 从10倍到20万倍连续可调，不用重新对焦，十分方便。 6在观察原块试样方法中，它能得到高分辨率和真实的形貌 SEM分辨率优于100，介乎透射电镜(几)和光学显微镜2000 之间。 7因电子照射而发生试样的损伤和污染程度很少 所用的电子探针电流小，电子探针的直径小(通常是50 到几百)，电子探针的能量也比较小。不固定一点照射试样，试样的损伤和污染程度很小。 8能进行动态观察 9. 可以

24、从试样表观形貌获得多方面资料 10在观察形貌的同时，能进行微区成分分析和晶体学分析 SEM的缺点： 难以确定夹杂物或析出相的晶体结构； 不能分辨夹杂物或析出相的颜色； 扫描电镜的分辨本领比透射电镜的低； 扫描电镜分析的成本比金相显微镜高等。3.2.4 透射电镜分析技术透射电镜的主要功能、特点与应用1透射电镜的主要功能是： 1) 识别物体微观结构细节，并将这种细节放大成人们可用肉眼观察的形貌； 2) 进行物体的形貌像与衍射像的转换。通过改变中间镜的电流值，可以把样品的形貌像转变为电子衍射像。可以观察到微观客体的形状、大小及分布，可以确定该微观客体的晶体结构 (如非金属夹杂物或析出相)和类别。2透

25、射电镜优点 1) 在目前已有的各种观测仪器中，透射电镜具有最高的分辨本领、最大的放 大倍率、较大的景深等优点，适合于观察各种失效形态的细微结构。 2) 进行形态观察的同时，可以对萃取相和金属薄膜样品进行选区电子衍射以确 定其物相结构。这是TEM的最大优点。 3) 可利用二次复型观察断口形貌，不损害断口表面，可多次制取二次复型。 4) 分析型TEM配有能谱仪，除能观察形貌、确定结构，还能分析化学成分。3透射电镜的主要缺点 1）样品制备过程繁杂，而且还容易造成制样时的人工缺陷(假象)。 2）低倍与高倍对应困难。 3）TEM观察区小，难于把握整个失效区域的形貌特征，甚至产生以偏概全的偏差。 4） 透

26、射电镜属于大型精密仪器，价格昂贵。透射电镜在失效分析中的应用：（1）失效形貌观察 主要包括以下三个方面的内容： 断口形貌观察 金属显微组织的观察： 通过透射电镜，可以使人们清晰地观察到金相显微镜无法辨别的显微组织、第二相等的微细结构。 其它失效形态的观察：应用于磨损和腐蚀等失效形式的分析研究中，通过揭示这些失效的形貌特征，使人们正确地找到失效的形成机制和原因。（2）非金属夹杂物及析出物的物相结构分析 透射电镜是目前唯一能够对非金属夹杂物或析出物等微小晶体进行微区结构分析的仪器设备。这种物相结构分析，就是所谓的选区电子衍射技术。涉及机械失效件的化学成分分析技术:（1）常规化学成分分析：确定金属材

27、料的化学组成及其含量（2）局部化学成分分析（3）表面化学成分分析（4）微区化学成分分析常规化学成分分析: 以溶液及液态化学试剂分析为主，亦称湿法化学分析。光谱分折: 采用发射光谱分折和原子吸收光谱分析技术。其他物理方法: X射线衍射、电子衍射、电子探针、俄歇电子能谱仪、离子探针等方法。杂质元素（硫、磷、锡、砷、锑等）和第二相（夹杂物和析出物）在微小区域内（如晶界处）的偏聚，有时会引起金属发生脆断。检测的手段：俄歇电子能谱仪、离子探针等表面微区分析。金属材料常规湿法化学分析方法：重量分析法；容量分析法；比色分析法等。3.3.3.2 电子探针分析技术（一）、原 理 当一次电子束（探针束）与试样发生

28、相互作用时，将从试样表面内激发出各种信号，其中包括待测元素的特征X射线（ X射线由于内层电子受激发后跃迁发射的光波）。电子探针X射线微区化学成分分析（简称电子探针分析）就是以聚焦电子束（一次电子束）激发试样表面内直径为1微米区域，使之产生特征X射线，通过测得特征X射线波长，确定微区内存在的元素；若测得其波长的强度，便知其含量的多少。 功 能：使用电子探针可以了解机械失效源区组分局部变化的情况。可分析微米范围内除氢、氦、锂以外的所有元素。特点 (1) 分析区域小：几立方微米100左右，常用直径约1mm的电子束。 (2) 灵敏度高：相对检测极限达0.005(重量)，绝对极限为10-140-15g。

29、 (3) 可直接观察选区：可直接观察试样表面的显微组织，准确分析微区域。 (4) 制样方便：一般金相试样即可供电子探针分析用。 (5) 不损坏试样：除必要的取样和制样外，不受损伤和污染。 (6) 可作多种分析：可分析的信号多，除特征X射线外，还可用背散射电子、吸收电子和二次电子成像。弱 点：不能分析太小(约1mm以下) 质点或区域，轻元素分析灵敏度低等3.3.3.3 离子探针分析技术（一）、 原 理 用一次离子(具有几十至几万电子伏特的动能)轰击固态样品表面，样品中的某些原子由于获得了足够多的能量而从晶格结点上弹出，并与其周围原子发生碰撞，形成一系列碰撞环。结果一些能量较高的原子或正、负离子从

30、表面层中逸出。把这种逸出的离子称作二次离子。离子探针就是以这种二次离子为检测对象，通过对它们进行加速、聚焦、分离和检测而进行表面微区成分分折的。离子探针高灵敏度的全元素显微成分分析仪器。（1）绝对敏感度达10-18一10-19g；（2）相对灵敏度为10100 ppm；（3）能完成电子探针无法进行的对H、He、Li等元素的检测；（3）分析的表面尺寸可控制在12mm。分析深度能控制在每秒101000。（4）剥层分析可提供三维空间的元素分布信息，其深度分辨率为50100 。 可用以研究金属扩散、氧化、催化、腐蚀以及其它表面问题。离子探针微区成分分析的弱点： 1）定量分析的准确度不如电子探针； 2)

31、在溅射过程中会产生高价离子和多原子离子，使分析困难； 3) 对试样有轻微损坏作用； 4) 仪器要求较高的真空度，一般不低于10-7Pa。 5）离子探针试样有一定要求超声波清洗；试样表面应平滑；粉末状样品，要加压成型，或埋入软质金属中；应避免样品中含有有机物质或吸收气体。3.3.3.4 俄歇电子能谱分析技术（一）原理 当用具有足够能量(210eV)的电子束轰击样品表面时，样品表层原子的内层电子因受激发而发生跃迁，跃迁电子释放多余能量而使更高能级上的电子受到激发而逸出到固体样品表面之外。这种物理现象就是俄歇效应，逸出的电子，叫作俄歇电子。俄歇电子的能量是表征元素特征的一种物理量。俄歇电子能谱分析，

32、就是通过检测不同元素的俄歇电子能量而对样品表层进行定性和定量分析的。俄歇电子能谱分析仪的特点 1 优 点 1）分析测定轻元素的灵敏度很高，尤其是对于钢铁中采用其它方法很难准确测定的碳、氮、氧、磷、硫等元素，具有相当高的测定灵敏度。 2）该法能够测定距表面几个原子层厚度范围内的元素成分。 3）该方法属于非破坏性分析方法。 2 缺 点 1) 在操作时要求超高真空度(10-710-8Pa)，操作复杂，周期长。 2) 定量分析的准确度不如电子探针。 3) 一次电子束可能诱发分解、表面扩散、体积扩散、脱离、吸附等。例 如，在测定过程中，SiO2、A12O3、TiO2可能被还原，磷、硫可能发 生扩散。 4

33、) 在进行离子剥离时，可能发生选择剥离，即特定元素优先被溅射或遗 留下来, 可能引起某些元素在表面上浓化，从而造成假象。 由于俄歇电子能谱仪价格昂贵，测试操作繁杂、周期很长等，使这种 测试技术的应用受到了很大的限制。3.3.4 铁谱分析技术铁谱技术的基本原理：利用高梯度强磁场的作用，将从设备润滑系统内采取的油样中分离出磨损颗粒，并借助不同仪器检验分析这些磨损颗粒的形貌、大小、数量、成份、分布等，从而对机械设备的运转工况，关键零件的磨损状态进行分析和判断。特 点： 传统的检测方法停机、拆卸零件、检查零件表面的磨损状况。缺点：由于检修最佳时期错过，招致严重磨损，甚至发生事故（“欠维修”）；尚未到检

34、修期就进行停机、检修( “过维修”)，增加了不必要的维修费用，影响了生产。 采用铁谱分析技术（在线动态检测） ，不需要拆卸，通过检测磨损粒子而监测机械设备摩擦磨损状况，避免“欠维修”或“过维修” 现象。 凡具有摩擦磨损的机械设备，都可借助于铁谱仪而实现动态监测。3.4机械性能测试与分析：（1）硬度；（2）拉伸强度；（3）冲击韧性；（4）断裂韧性；（5）疲劳强度；（6）蠕变强度；（7）应力腐蚀开裂敏感性；（8）氢脆敏感性；（9）腐蚀疲劳抗力；（10）残余应力的分析与测试3.5 基体材料组织和物相分析技术 第二相指非金属夹杂物和碳化物(渗碳体除外)、氮化物、金属间化合。第二相的形状、数量、大小，尤

35、其是分布，直接影响材料的各种性能。主要分析方法及工具：（1）金相组织分析技术包括光学金相分析和电子金相分析(主要为扫描电镜分析) 。（2）电子衍射分析技术透射电子显微镜（3）X射线衍射分析技术X射线衍射仪（4）物理化学相分析技术3.7 失效分析样品的选取与保护大试样多用火焰切割,需注意的问题：（1）火焰切割所经过的地方和近邻，是否需要表层质量(缺陷)和内部质量(缺陷)的数据，如果需要，就应事先对该地区进行无损检验；（获取表面信息后）（2）切割时一定要远离断口或裂纹，以防止产生不利后果；（避免损伤）（3）切取前要做宏观照相，记载原来的图象和切取试样的部位；（留下记录）（4）避免熔滴飞溅到断口面上

36、。（避免伤害）取样原则： （1）代表性：断口的力学性能和金相试样，必须在断裂源附近选取，而对比样，一定要在远离断口的正常部位上切取。 （2）对比性：损伤区和远离损伤区的非损伤区均应取样。 （3）典型性：断口要做适当的选择，以便抓住重点，迅速找到断裂源。 （4）做标记：做好试样标号是为了避免弄混断口部位。长的断口要分段观察，取样要依次作上标号，以防弄乱断口顺序。3.7.2 失效件断口的清洗与保存断口和断裂源是失效起因的载体，裂纹扩展记录着损坏的发展过程。 1、断口保护原则：（1）在失效分析过程中，不得使之遭到外加的污染、腐蚀、擦伤。（2）要绝对禁止不懂断口分析的人员去触模或处理断口。（3）断口在

37、移动或运送过程中应严格保护。如可用泡沫塑料包裹并用布包扎，外面再用塑料袋封起。在袋内应装一些硅胶，用于吸收潮气，防腐蚀。 2、常见保护方法：（1）把有断裂源的断口试样放在干燥器或真空贮存器内；（2）保存大的断口做示范试样，可将25的醋酸纤维素丙酮溶液用软毛刷涂在断口上。涂刷时要使凹陷处都涂满溶液，不要留有气泡。 3、对断口保护用涂层材料的主要要求 1) 不与金属基体发生化学反应； 2) 能隔绝环境对断口的侵蚀； 3) 在需要观察断口时能容易地清除干净而不损伤断口。3断口的清洗（1）断口上面产物类型： 各种碎片、腐蚀产物、氧化物和沉积物。（2）清洗断口的目的：清除后才能看清断口的真实形貌。（3）

38、提前取样： 首先从覆盖于断口上的上述碎片和沉积物中取样，从中获得某些重要的信息，这对了解断裂的原因有时是很关键的。如应力腐蚀开裂、金属致脆等，先要在未清洗的原始断口上用能谱或电子探针分析表面产物的化学成分，待这一重要步骤完成之后，再清洗断口。（4）不得伤害断口： 考虑清洗方法对断口的损伤。如非必要和没有绝对把握时不做化学清洗，因为它对断口可能会造成损伤。4通常采用的清洗方法 1) 用干燥而清洁的压缩空气喷吹，或用柔软毛刷轻刷； 2) 用有机溶剂浸泡清洗； 3) 用醋酸纤维素纸(AC纸)在丙酮中软化后紧粘在断口上，待干燥后撕揭下来，如此反复几次，直到清除干净为止； 4) 浸在洗涤剂中用超声波振荡

39、清洗；5) 用电化学电解清洗 6) 用化学浸蚀法清除4.2.1 断裂类型及分类断裂的分类方法：（1）按服役条件分类 1）过载断裂由于载荷不断增大，或工作载荷突然增加从而导致构件的断裂。包括静载断裂或动载断裂（如冲击、爆破）。 2）疲劳断裂在循环应力（最大值低于拉伸强度）作用下，材料经过一定的疲劳周次后裂纹形核、扩展、断裂。 3）蠕变断裂在中高温条件下加恒应力，经过一定时间的蠕变变形后导致材料的断裂。 4）环境断裂指包括应力腐蚀、氢致开裂（氢脆）、腐蚀疲劳以及低熔点金属致脆断裂等。由于存在腐蚀介质、氢或低熔点金属吸附，经过一定时间后在低的外应力下就能导致裂纹的形核和扩展直至零构件断裂。（2）按断

40、裂应变分类 根据零件断裂前所产生的应变量的大小可分为： 1）韧性（或塑性）断裂材料断裂前的宏观塑性变形（延伸率或断裂应变）或断裂前所吸收的能量（断裂功或冲击值）较大。有明显征兆 2）脆性断裂断裂前没有宏观塑性变形或塑性应变很小，即延伸率、断裂应变或断裂功很小（如延伸率小于25）。突发，危险性大 3）韧性脆性混合型断裂（准脆性断裂）当变形在510范围内出现的断裂，均可称为韧性脆性混合型断裂。 断口特征：脆性断裂有穿晶脆断（如解理断裂、疲劳断裂）和沿晶脆断（如回火脆、氢脆）之分。有人把没有宏观塑性应变的材料，如玻璃和陶瓷，称为脆性材料，而把塑性应变很小的材料，如金属间化合物，称为准(或半)脆性材料

41、。（3）按断裂路径分类 依断裂路径的走向通常可分为穿晶断裂和沿晶断裂两类： 1）穿晶断裂裂纹穿过晶粒内部扩展。穿晶断裂可以是塑性的，也可以是脆性的。前者断口具有明显的韧窝花样，后者断口的主要为解理花样。 2）沿晶断裂断裂沿着晶粒边界扩展，可分为沿晶脆断和沿晶韧断（在晶界面上有浅而小的韧窝）。 实际断裂失效断口上常常是既有沿晶断裂，又有穿晶断裂的混合型断裂。（4）按断裂机制分类 按断裂机制分为解理、准解理、韧窝、滑移分离、沿晶及疲劳等多种断裂。宏观断口三要素：钢的光滑圆棒试样室温拉伸或冲击断口，通常可分为三个宏观特征区，即纤维区、放射区和剪切唇区。即断口宏观特征三要素。纤维区该区一般位于断口的中

42、央，是材料处于平面应变状态下发生的断裂，呈粗糙的纤维状，属正断型断裂。纤维区的宏观平面与拉伸应力轴相垂直，断裂在该区形核。放射区该区紧接纤维区，是裂纹由缓慢扩展向快速的不稳定扩展转化的标志，其特征是放射线花样。放射线发散的方向为裂纹扩展方向。放射条纹的粗细取决于材料的性能、微观结构及试验温度等。剪切唇区断裂过程的最后阶段出现剪切唇区。剪切唇区表面较光滑，与拉伸应力轴的交角约45，属切断型断裂。它是在平面应力状态下发生的快速不稳定扩展。剪切唇大小是应力状态及材料性能的函数。断口三要素在断裂失效分析中的应用 裂纹源位置的确定在通常情况下，断裂源位于纤维状区的中心部位。在一般条件下，放射条纹收敛处为

43、断裂源位置； 裂纹扩展方向的确定放射条纹指向裂纹扩展方向。裂纹的扩展方向是由纤维区指向剪切唇区方向。板材零件断口上放射区的宏观特征为人字条纹，其反方向为裂纹的扩展方向。 断口上有二或三种要素区时，剪切唇区是最后断裂区。4.4.2 裂纹源或断裂源位置的判别裂纹分析断裂件的确定；裂纹源位置的判别和诊断；裂纹路径和走向分析；裂纹微观特征分析等。 1分析对象的确定 断裂失效分析中确定首断件或肇事件找出主断口或主裂纹。确定首断件的原则：(a) 当各断裂件中，既有延性断裂，又有脆性断裂时，一般脆性断裂件发生在前，延性断裂件发生在后； (b) 当各断裂件中，既存在脆性断裂件，又存在疲劳断裂件时，则疲劳断裂件

44、应为首断件； (c) 当存在两个或两个以上的疲劳断裂件时，低应力疲劳断裂件出现在前，而大应力疲劳断裂件出现在后； (d) 当各断裂件均为延性断裂时，则应根据各零件的受力状态、结构持性、断裂的走向、材质与性能等进行综合分析与评定，才能找出首先断裂失效件。2. 确定主断口或主裂纹的方法 碰到在同一断裂失效件上出现多个断口或多条裂纹时（如涡轮盘的断裂）需要从中准确地找出首先开裂的部位主断口或主裂纹。 常用确定方法： （1） T型法如果在一个零件上有两条相交的裂纹构成“T”型，或一个零件上出现两块或两块以上碎片时，将其合拢起来（注意不要将其断面相互碰撞），其断裂构成“T”型。A为主裂纹，B裂纹为二次裂

45、纹。A裂纹阻止了B裂纹向前扩展。裂纹源处在A裂纹的两端。（2） 分叉法：机械零件在断裂过程中，往往在出现一条裂纹后，要产生多条分叉或分支裂纹。一般裂纹的分叉或分支的方向为裂纹的扩展方向，其反方向为断裂的起始方向（裂源位置）。主裂纹宽而长。（3） 变形法：当机械零件在延性断裂过程中产生变形并断成几块时，可测定各碎块不同方向上的变形量大小，变形量大的部位为主裂纹，裂纹源在主裂纹所形成的断口上，其它部位为二次裂纹。图示A为主裂纹。（4） 氧化颜色法：氧化腐蚀比较严重、颜色较深的部位，是主断裂部位，而氧化腐蚀较轻、颜色较浅的部位是二次裂纹。（5） 疲劳裂纹长度法：疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距密者，为

46、主裂纹或主断口，反之为次生裂纹或二次断口。3. 确定裂纹源的方法 除了结合前面介绍的确定主断口或主裂纹的方法分析裂纹源外，还可以依据下述途径确定裂纹源位置：（1） 裂隙大小判断法：将断裂的两部分拼合，一般情况下缝隙大的部分为裂纹源（如图）。（2） 放射状条纹或人字纹的收敛处为裂源：如果主裂纹断口宏观形貌具有放射状的撕裂棱线或呈人字花样，则放射状撕裂棱的收敛处即为断裂的起源位置（见图）。同样人字纹收敛处（即人字头指向处）亦为裂源，人字纹的方向即为裂纹扩展方向。4.5 金属断裂的主要类型与机理重要断裂机理类型： 韧窝断裂； 滑移分离； 解理和准解理断裂； 疲劳断裂； 沿晶断裂4.5.1 穿晶韧窝断

47、裂 韧窝（又称作迭波、孔坑、微孔、微坑等）是金属延性断裂的主要微观特征。 韧窝形成：材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞形核长大聚集连接，而导致断裂后，在断口表面上所留下的痕迹。 注意：虽然韧窝是延性断裂的微观特征，但不能仅仅据此就作出断裂属延性断裂的结论，延性断裂与脆性断裂的区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。脆性断裂断口上个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。1韧窝的形成韧窝形成的机理比较复杂，大致可分为：显微空洞的形核长大聚集三阶段2韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状态，最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种，如图所示，后两种又称拉长韧窝，见图。三种基本韧窝形

48、态示意图（a）等轴韧窝（b）剪切韧窝（c）撕裂韧窝（d）拉长韧窝 4.5.2 滑移分离 金属的断裂（除理想的解理断裂外）过程均起始于变形。 金属的塑性变形方式：滑移；孪生；晶界滑动；扩散性蠕变 滑移变形是最重要的变形方式。过量的滑移变形出现滑移分离，微观形貌有滑移台阶、蛇形花样、涟波花样等。 孪生一般在低温下才起作用，高温下晶界滑动和扩散性蠕变较为重要。 1滑移带 晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线，滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶，一般称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层，滑移层宽度在50500之间。 随着外力的增加

49、，滑移带不断加宽；在原有滑移带之间会出现新滑移带。 金属材料滑移的一般规则： 滑移方向总是原子的最密排方向； 滑移通常在最密排的晶面上发生； 滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。2滑移的形式 晶体材料产生滑移的形式： 一次滑移；二次滑移；多系滑移；交滑移；波状滑移；滑移扭折等3滑移分离断口形貌 滑移分离的基本特征： 断面倾斜，呈45角；断口附近有明显的塑性变形，滑移分离发生在平面应力状态下（如图）。 滑移分离的微观特征：滑移线或滑移带；蛇形花样；涟波花样；延伸区4.5.3 解理断裂解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键的破坏而造成的沿一定的晶体学平面(即解理面)快速分离的过程。解理断裂

50、是脆性断裂的一种机理，但有时伴有一定的微观塑性变形。解理面一般是表面能量最小的晶面。面心立方晶系的金属及合金，在一般情况下，不发生解理断裂。 1、宏观特征几乎没有塑性变形，断口边缘很少有剪切唇。断口表面一般垂直于最大正应力方向。断口呈结晶状小刻面、“放射状”或“人字形”花样。典型的解理断口微观形貌特征：（1）解理台阶；（2）河流花样；（3）“舌”状花样；（4）鱼骨状花样；（5）扇形花样；（6）瓦纳线等。 所有解理特征花样，都是局部发生微观塑性变形形成的。 3影响解理断裂的因素影响解理断裂的因素：环境温度；介质；加载速度；材料的晶体结构；显微组织；应力大小与状态等。4.5.4 准解理断裂 准解理

51、断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式，它与解理断口有相似的形貌特征。是一种脆性穿晶断口。 准解理断裂沿一定的结晶面扩展，断口上虽有河流花样特征，但又有较大的塑性变形产生的撕裂棱。塑性变形量大于解理断裂又小于延性断裂。 形貌特征：准解理断口宏观形貌比较平整，基本上无宏观塑性变形或有极少的宏观塑性变形。断口大多呈现结晶状，小刻面亮但不发光。准解理断口也经常显示较明显的放射状花样。准解理的形成过程： 首先在不同部位（如回火钢的第二相粒子处)，同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂棱。 准解理断口与解理断口的不同之处：

52、 准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物、第二相粒子。而不像解理断裂那样，断裂源在晶粒边界或相界面上。 裂纹传播的途径不同，准解理是由裂源向四周扩展，不连续，而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展，表现河流走向。 准解理小平面的位向并不与基体（体心立方）的解理面100严格对应，相互并不存在确定的对应关系。 在调质钢中准解理小刻面的尺寸比回火马氏体的尺寸要大得多，它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。4.5.5 沿晶断裂 沿晶断裂（晶间断裂）是多晶体沿不同取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离，即沿晶界发生的断裂现象。沿晶断裂类型: 沿晶韧窝断裂；沿晶脆性断裂。4.5.6 疲劳断裂疲劳断裂材料(或

53、构件)在交变应力或循环负荷反复作用下发生的断裂。1、疲劳断裂过程（三阶段）疲劳断裂过程疲劳裂纹的萌生；裂纹稳定扩展；裂纹失稳断裂疲劳条带的主要特征： a疲劳条带是一系列基本上相互平行的、略带弯曲的波浪形条纹，并与裂纹局部扩展方向相垂直； b每一条条带代表一次应力循环，每条条带表示该循环下裂纹前端的位置，疲劳条带在数量上与循环次数相等； c疲劳条带间距(或宽度)随应力强度因子幅的变化而变化； d. 疲劳断面通常由许多大小不等、高低不同的小断块所组成，各个小断块上的疲劳条带并不连续，且不平行（如图）； e断口两侧断面上的疲劳条带基本对应。(4) 疲劳条带的形成机理 疲劳裂纹扩展机理主要类型：裂纹的连续扩展模型；裂纹的不连续扩展模型 疲劳条带的形成机理主要模型：a疲劳裂纹尖端在一次循环中的压缩阶段，裂纹的两个面紧靠在一起，裂纹尖端表面产生塑性变形，接着在下半个拉伸循环中，裂纹角度张开，并使裂纹扩展形成了一个条带。属于疲劳裂纹的连续扩展b疲劳裂纹尖端存在显微空穴