上海材料研究所分析培训-第十二章-失效分析2009

失效分析根底杨力机械失效分析技术机械构件在使用过程中由于各种原因可能会发生失效现象。机械构件丧失其规定功能的现象称为失效。分析引起机械构件的失效原因，提出对策，研究采取补救措施的技术和管理活动称为失效分析

失效分析的目的以提高产品质量为目的，找出造成机械产品失效的原因及影响因素，提出改进措施，以防止同类失效现象的重复出现。以技术攻关为目的的失效分析。以劣质产品确实定和处理为目的的失效分析。仲裁性的失效分析。为进行修复而作的失效分析。失效分析是质量管理的重要环节失效分析的经验是新产品开发规划和设计的重要依据DFMEA开发规划和设计是决定产品质量的两个重要因素，由于规划和设计过失在产品失效案例统计分布中比例较大，现代的机械设计和质量管理要求对产品作“危险度分析”，就是运用失效分析的经验和知识去分析审查设计方案中是否存在某些会导致失效的因素及万一失效后又会产生何种程度的危害，根据这种分析去修改设计方案，把失效因素在产品设计时就消除或减少。失效分析是对质量控制网的实地检验FMEA如产品在使用过程中频频发生失效，说明原来确定的质量控制网在某些环节上发生问题，失效分析可根据失效现象找出失效原因，提出应当从哪些方面去调整，增强和改进质量控制网。产品在加工制造过程中，不管质量控制网如何严格，也难免产生缺陷，这些缺陷通过失效分析积累的经验和知识来判断对产品的功能会产生何种影响，可分为危险缺陷、可修复缺陷、无害缺陷。这种以失效分析经验和知识为依据的缺陷平安度分析，既可防止盲目报废，节约大量的材料、工时和本钱，又可保证产品平安使用。失效分析的经验是评定产品缺陷平安的最正确参考依据

机械构件失效的主要形式变形失效断裂失效腐蚀失效磨损失效变形失效弹性变形失效----弹性变形过量，虽外表未发现任何损伤痕迹，但弹性性能已达不到原设计要求。例如汽车弹簧，经长期使用后松弛性能降低导致不能起缓冲作用塑性变形失效塑性变形失效----变形量超过极限，不能再使用。经长期运转后的汽轮机叶片逐渐伸长发生塑性变形而与壳体相接触，使汽轮机不能正常运行。蠕变变形失效----零件长期在高温和应力作用下，即使小于屈服应力也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变，当蠕变变形量超过规定数值后就会失效，甚至产生蠕变断裂。高温松弛失效----零件在高温下失去弹性功能而导致失效。例如蒸汽轮机的高温紧固螺栓经长期使用发生松弛，使蒸汽轮机不能正常工作。断裂失效----塑性断裂塑性断裂失效：当构件所承受的实际应力大于材料的屈服强度时，将产生塑性变形，应力进一步增大，就会产生断裂，称为塑性断裂失效。塑性断裂的特征：在裂纹或断口附近有宏观塑性变形，或者在塑性变形处有裂纹出现；塑性断裂的一种典型断口是抗拉试样的杯锥状断口，杯部呈纤维状特征，锥部呈浅灰色的光滑区，并与杯部或45o角。塑性断口微观形态主要为韧窝。根据韧窝的形状可分析断裂时所受应力的性质，如韧窝为等轴，受正应力作用，如杯锥状断口的杯部。韧窝为拉长呈方向性，受剪切应力或撕裂应力作用，如杯锥状断口的锥部。韧窝的大小与形核数量、材料韧性、温度、应变速率有关；材料韧性好、夹杂或第二相粒子少、温度高、应变速率慢那么韧窝尺寸大；反之那么韧窝尺寸小。塑性断裂的原因：通常情况下塑性断裂是由于外应力超过材料的屈服强度所致(材料强度过低或超载)。断裂失效---脆性断裂失效脆性断裂是指断裂前几乎不产生显著的塑性变形按裂纹扩展的路径分为穿晶脆性断裂和沿晶脆性断裂。解理断裂----解理断裂是穿晶脆断的一种常见的主要断裂方式。解理断裂是指在一定的条件下，金属因受拉应力作用而沿某些特定的结晶学平面发生别离。铁素体钢的解理面为{100}晶面。

解理断裂的特征 *断裂时所受应力较低，常低于材料的屈服强度及设计许用应力 *构件破坏之前没有或只有局部的轻微的塑性变形 *断裂源总是发生在缺陷处(尤其是焊接缺陷)或几何形状突变的凹槽、缺口等处，也有裂纹源由疲劳损伤处引起 *断口宏观形貌平直，断面与拉应力方向垂直，断口上有放射状条纹，放射状条纹的收敛点为断裂源，当构件为管材或板材时，断口上有人字纹条纹，人字的头部指向裂源，并有闪光的“小刻面”，断口微观形貌为河流把戏 *一旦发生开裂，裂纹便以极高的速度扩展，危害性很大。形成解理脆断的条件: *构件存在三向应力集中部件，如构件存在外表缺口、裂纹等缺陷、几何形状的突变。 *有一定大小的应力作用，包括剩余应力，尤其是在冲击应力作用下易发生解理脆断。 *低温条件下，当温度低于材料的脆性转变温度点时易发生解理脆断准解理断裂 *准解理断裂常在经淬火及随后回火的马氏体组织中出现。 *按断裂形态，准解理断裂介于韧性断裂和解理断裂之间，其韧性比解理断裂好，而比韧性断裂差。断口宏观形貌具有细小的放射状条纹或呈瓷状，断口微观形态也有河流把戏，但其河流短而不连续，并能观察到较多的撕裂岭特征断裂失效--脆性断裂---沿晶脆性断裂裂纹沿晶粒界面扩展而造成金属材料的脆断称为沿晶脆性断裂。通常晶界是强化的因素，即晶界的键合力高于晶内，只有在晶界被弱化时才会产生沿晶断裂。晶界弱化的根本原因----材料本身或环境介质或高温的作用 *晶界沉淀相造成的沿晶断裂----由晶界的夹杂和第二相沉淀所造成的，晶界上的析出相通常是不连续的，呈球状、棒状或树枝状，晶界沉淀相越多，断裂应力越低 *杂质元素在晶界偏聚造成沿晶脆断----如Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金钢的第二类回火脆性〔合金钢在回火后慢冷或在375~560oC等温产生晶界脆化和沿晶断裂〕。 *环境介质侵蚀而引起的沿晶断裂----高强度钢的氢脆、应力腐蚀 *高温下的沿晶断裂。沿晶脆断的特征断口在宏观上呈颗粒状，有时能观察到放射状条纹。断口微观形貌呈冰糖状。断裂失效----脆性断裂失效---疲劳断裂机械零件在循环交变应力的作用下引起的断裂称为疲劳断裂。在机械构件的断裂失效中，疲劳断裂所占的比例最高，达70%以上。疲劳断裂的类型----高周疲劳、低周疲劳、热疲劳、接触疲劳、腐蚀疲劳、微振疲劳、蠕变疲劳等。高周疲劳----循环次数N>104~105的疲劳断裂称为高周疲劳,为低应力高周疲劳断裂。低周疲劳----循环次数N<104~105，为高应力低周疲劳断裂。裂纹扩展时疲劳应力较高，裂纹扩展速度较快，其断口形貌较复杂；当循环次数N>103，断口上有粗大的辉纹；当循环次数N<103，断口观察到一种“轮胎把戏”；当循环次数N<102，断口上观察到韧窝或准解理。断裂失效--脆性断裂失效---疲劳断裂热疲劳----冷热交变应力作用下引起的疲劳开裂称热疲劳。如发动机排气门、热模。宏观有网状或平行断续的细小裂纹，微观断口有氧化特征，难见辉纹。接触疲劳----接触应力作用引起疲劳破坏。如轴承、轴瓦、齿轮。宏观有剥落特征，微观有辉纹、准解理等特征。产生接触疲劳的原因主要是接触应力较高。腐蚀疲劳----腐蚀介质和交变应力联合作用下引起的疲劳破坏称腐蚀疲劳。断口宏观上有腐蚀特征，微观形貌除疲劳辉纹外有腐蚀特征。微振疲劳----由微振应力作用下引起的疲劳破坏，如铆钉、叶片、钢丝绳等。裂源处有磨损现象，疲劳断口上可观察到与高周疲劳相似的辉纹

高周疲劳的特征疲劳断裂过程中，工作应力多是在低于屈服应力下进行，零件不发生肉眼可见的宏观塑性变形，对于常见的低应力高周疲劳，在断裂发生后，也未能观察到宏观塑性变形现象，所以一般将疲劳断裂归入脆性断裂疲劳断口具有独特的断口形貌，断口由疲劳源区、裂纹扩展区和瞬时断裂区三个局部组成。疲劳源常位于零件的尖角、凹槽或材料的夹杂、空洞、微裂纹等缺陷处。裂纹扩展区具有独特的疲劳条纹，常以海滩状条纹、贝纹线等术语描述其宏观特征。疲劳扩展区的断口微观形貌为疲劳辉纹。瞬时断裂区断口形貌与材料性质及断裂时应力状态有关，塑性材料常为塑性断裂，而脆性材料为脆性断裂产生疲劳断裂的常见原因

材料强度缺乏引起的疲劳断裂；零件结构上有尖角、键槽、圆角等应力集中区；夹杂、疏松、气孔、微裂纹等材料缺陷；外表缺陷，如凹坑、折叠、加工刀痕；热处理缺陷，如外表脱碳、过热疲劳断口的宏观特征韧窝准解理沿晶解理疲劳辉纹腐蚀失效金属与其外表接触的介质发生反响而造成的损坏称为腐蚀。腐蚀失效的特点是失效形式众多，失效机理复杂。腐蚀失效占金属机械构件失效事故的比例相当高，仅次于疲劳断裂。尤其是在化工、石油、电站、冶金等工业领域中，其腐蚀失效的事故较多，造成的损失是巨大的。因此对腐蚀失效的研究和预防在失效分析中是非常重要的工作。腐蚀失效----均匀腐蚀失效均匀腐蚀失效----是最常见的一种腐蚀，又称全面腐蚀失效。它的特征是在整个暴露的金属构件外表或相当大的面积上发生化学或电化学反响而被腐蚀，构件由于腐蚀减薄而最终失效。均匀腐蚀消耗掉大量金属材料，但比其它腐蚀失效的危险度小，比较容易进行预测和防腐，当金属材料减薄至一定程度后就进行更换，不至于造成突然断裂，对于均匀腐蚀常用腐蚀速率：毫米/年(mm/a)来表示。均匀腐蚀的防护措施：

*选择适宜的材料，可降低腐蚀速率。*在金属外表涂覆耐蚀涂层或镀层。*在工况介质许可情况下，在接触环境中添加缓蚀剂。*采用阴极保护。腐蚀失效点腐蚀缝隙腐蚀晶界腐蚀应力腐蚀腐蚀失效----电偶腐蚀电偶腐蚀----在电解质中，两种不同的金属相接触，由于电位不同，构成一个微电池，严重腐蚀发生在电极电位低的阳极上。在机械构件最多见的是在异金属的管子接头处，异金属螺栓或铆钉的连接处，异金属焊料的焊接处。如加热水箱或锅炉一般用钢板制成，外接水管假设用铜管，那么水箱和锅炉很快被腐蚀报废。电偶腐蚀的重要影响因素----大阴极与小阳极，如一艘高级游艇用钢制铆钉铆接蒙乃尔合金制作的壳体，在海水中使用仅几周，铆钉被腐蚀掉，船解体漂浮。电偶腐蚀预防措施：〔1〕尽可能使用电极电位接近的异金属连接。〔2〕防止使用大阴极、小阳极。〔3〕异金属连接处采用加绝缘材料。〔4〕外表采用涂层或镀层，与腐蚀介质隔离。电偶腐蚀预防措施〔1〕尽可能使用电极电位接近的异金属连接。〔2〕防止使用大阴极、小阳极。〔3〕异金属连接处采用加绝缘材料。〔4〕外表采用涂层或镀层，与腐蚀介质隔离。腐蚀失效----腐蚀疲劳腐蚀疲劳：在具有腐蚀性的介质中，金属材料的疲劳极限〔或疲劳强度〕显著降低。腐蚀疲劳的机理较为复杂，通常认为，腐蚀疲劳是一种局部腐蚀与周期交变载荷共同作用下引起开裂的一个复杂过程。腐蚀疲劳开裂的影响因素：较应力腐蚀更为复杂。除材料本身及环境介质外，受力因素也相当复杂，应力幅值和频率对其影响很大。腐蚀疲劳的断口特征：有腐蚀产物覆盖，颜色呈棕黑色，常为多源，疲劳常起源于点腐蚀坑或零件结构上的尖角、凹槽部位。断口微观形貌为其疲劳辉纹有与河流把戏相垂直的形态，在断口分析中称为脆性辉纹。用能谱仪分析可检测到介质中的腐蚀元素。腐蚀疲劳的防护：与应力腐蚀防护相似，需从受载、冶金因素、环境因素作综合考虑。腐蚀失效----氢损伤氢损伤：是金属材料的性能由于氢的作用而恶化的总称。造成金属氢损伤的氢，常来源于环境介质中，故把氢损伤归为腐蚀失效。氢损伤包括氢鼓包失效、氢脆开裂、氢脱碳及氢腐蚀。氢鼓包：是由于氢原子扩散到金属里，在金属的空穴〔或缩孔〕、夹杂处结合为氢分子，而氢分子不能继续扩散，使空穴里的氢浓度和压力不断上升，致使材料内部形成一个微裂纹。其裂纹反映在断口上为“白点”。氢脆开裂：在高强度钢中发生较多，易在电镀和酸洗过程中造成，是由于氢离子被复原并扩散到金属中，氢脆裂纹高强度钢为沿晶，强度较低的钢为穿晶。氢脱碳：是在高温下发生，金属外表接触到含有氢的环境，钢外表的碳和碳化物与氢反响，使外表脱碳而引起钢强度降低。氢腐蚀：是氢进入金属内部与金属组织中的碳化物发生反响而生成甲烷，常沿晶界发生腐蚀。腐蚀失效----其他腐蚀

高温腐蚀：在高温下金属材料的腐蚀失效称高温腐蚀。如水和其它腐蚀介质都不存在，主要表现为金属不断被氧化，生成氧化皮，此为高温腐蚀的典型失效形式。假设高温下有H2S和SO2气相对金属起腐蚀作用称为高温硫腐蚀，如柴油机零件中的热腐蚀。气蚀：在液体与金属材料之间相对速度很高的情况下，由于气体在材料外表的局部区域形成空穴或气泡并迅速破灭。气泡破灭时产生强烈的冲击波，压力可达410MPa，金属外表被损耗，形成蚀坑，称气蚀。在螺旋桨、水轮机叶片、泵的叶轮等零件中常出现。微动磨损腐蚀----受载金属材料与其相接触的固体材料作微小的相对运动时产生微动磨损，在空气中，微动磨损能引起氧化，形成微动磨损腐蚀。接触海水的多股钢丝绳也易发生微动磨损腐蚀。磨蚀、冲刷腐蚀----磨蚀是由于腐蚀介质与金属外表作相对运动而引起的，磨蚀失效零件上往往有沟槽、水波纹。冲刷腐蚀实际上是磨蚀的一种，只是介质流速很高，冲击力大。微生物腐蚀----微生物新陈代谢可产生腐蚀性很强的物质引起对金属材料的腐蚀，如澡类造成对冷却水管的腐蚀，贝壳类动物、海藻对海洋工程构件造成腐蚀失效。磨损失效相互接触并作相对运动的物体，由于机械作用所造成的材料位移及别离的破坏形式称为磨损失效。所有滑动或滚动的零件均会受到磨损，如轴承、齿轮、导轨、活塞环、花键、制动器、离合器等。磨损失效虽不象断裂失效及腐蚀失效所造成的损失巨大，然而也发现一些灾难性的事故根源来自磨损失效，如飞机起落架和液压控制筒在活塞与油缸、活塞秆与密封之间发生微动磨损，最后导致飞机起落架无法放下而发生机毁事故。常见的磨损失效主要有粘着磨损、磨粒磨损、接触疲劳磨损、微动磨损等。失效分析思路及方法

逐个因素排除法——5M1E法

*从操作人员(Man)、机械设备系统(Machine)、材料(Material)、制造工艺(Manufacturing)、环境(Environment)和管理(Management)六个方面来分析事故的原因系统工程法——故障树法(FTA)

*查明与事故的发生有关的所有可能的原因

*作为一种手段，利用图形明确地把分析对象的过程或结果形象地表示出来

*可以方便地计算出系统故障的概率系统工程法——特征-因素图分析法失效分析专家系统，失效分析案例库以整体原那么为思路的分析法----进行失效分析时，始终要树立整体观念。零件一旦失效，就要把设备-环境-人当作整体关系来考虑，首先将设备、环境、人三方面问题各自进行考虑和分析，然后再根据调查资料和检验结果，采取“消去法”，把不可能的问题逐个排除，对剩下的问题再进行仔细分析，通过试验分析找出失效原因以设备制造全过程为系统的思路----如已排除人员及环境因素，就可以从设备制造方面进行考虑。可从以下几方面考虑〔1〕设计不当；〔2〕材质问题；〔3〕热加工缺陷；〔4〕冷加工缺陷；〔5〕装配和检验不当；〔6〕使用和维护不当。根据失效类型和失效模式〔机理〕分析的思路----机械产品一旦失效，一般不外乎变形、断裂、腐蚀、磨损四种失效形式，首先根据失效件的使用工况、外表形貌、断口宏观微观形貌，就可以确定该项失效模式，然后通过实验数据来分析引起失效的原因根据构件服役条件分析的思路----机械构件发生失效除制造质量缺陷外，与它的服役条件影响很大。通常情况下与失效有关的服役条件有力、时间、温度和环境，根据这些诱发条件初步可确定失效模式，排除大局部其它原因。失效分析程序

接受任务、调查研究、分析失效原因和提出改进措施----对于简单的失效零件，且失效因素也较简单，一般不需要设计分析程序，对于一个大而复杂的系统失效，为使工作进展顺利，分析结论准确，设计一个分析程序是非常重要的。接受任务，明确要求----失效分析人员在接受任务时，必须明确失效分析的目的。调查研究----调查研究的目的是为了了解失效件的背景材料和现场情况了解失效件的名称、型号、生产厂、制造工艺、工作时间、使用环境等。现场调查----对于一个重大的失效事故，应保护现场。失效分析人员现场调查通常包括以下方面：

*了解发生失效的时间、地点、周围环境及失效经过。

*观察失效件的破坏程度、并作记录和照相。

*观察失效件周围的金属屑、氧化皮等一切可疑杂物。

*失效件周围环境、温度、湿度、气氛、水质等情况。

*调查现场目击者的证词。

*对失效件作宏观分析，选择供实验室分析用的试样。

*收集失效件的背景材料，包括使用记录、运转情况、维修情况、操作人员的情况。失效件测试和分析

直观分析(宏观分析)----直观分析主要用肉眼或低倍放大镜观察，是以后各项试验分析的根底，十分重要，须仔细进行。直观分析通常包括以下内容： *观察整套装置或整个部件，了解失效装置各局部的作用。 *初步确定失效形式，如韧性、脆性、疲劳、腐蚀或磨损。 *根据断口形貌确定裂源位置。 *根据断裂特征推测加载方式(拉、弯、压、扭等)，应力大小、应力方向。 *根据断裂特征判断是否由缺陷引起，如材质缺陷、制造加工缺陷、装配缺陷等。 *根据断口形貌初步确定环境介质影响，对未断裂的腐蚀失效件外表、粒屑、介质进行分析观察，初步提出属于何种腐蚀失效。 *对磨损失效件的外表磨损形貌、外表裂纹、磨粒等进行观察。裂源识别法碎块拼凑法----将碎块依次拼合，密合程度好的是后断的，密合程度差的是先断的，图中A先断。

----假设一个零件上存在两条以上裂纹，横贯裂纹为主裂纹，以下图中，裂源位于A裂纹的O或O‘处。“T”型法----以下图中，集合处为裂源，分叉裂纹产生于后。多枝形法----人字纹出现在板材断口上，“人”字头部指向裂源，

人字形法----放射状条纹的会聚点就是裂源，放射状标记法最小应变法----对于韧性材料，断裂时宏观变形先小后大，变形小的为裂源剪切唇法----剪切唇在断口上较易识别，其特征断口光滑，与主应力方向呈45o角，外外表有毛边等特征，剪切唇的对面为裂源。贝纹把戏判断法----对于疲劳断口，根据贝纹线判断裂源，裂源位于弧形条纹的圆弧中心处。氧化法----当断口由腐蚀介质或温度作用下产生，断口上氧化或腐蚀严重的部位为裂源。取样对分析过程中所需要的全部试样，在现场调查时应有方案，取样的部位及数量应合理确定，取样要有代表性，检查失效件的力学性能、金相组织、化学成分等须在失效源附近取样，而比照试样那么要远离裂源区。对于断口试样取样时注意防止对断口的损伤，对于大件取样一般用火焰切割或机械切割，切割时离分析部位要保持一定距离，以保证分析样品的组织和性能不受切割热的影响。金相检验金相检验----是失效分析中很重要的一项工作，包括宏观检验与微观检验，常有以下几方面内容：低倍酸蚀检验----检查材料内部偏析、疏松、夹杂、气孔等缺陷；外表折叠、夹砂、斑疤等缺陷；内裂纹、白点、过烧等；锻造流线、焊接质量、磨削烧伤等。硫印和磷印----检验钢中硫和磷的偏析。显微组织分析----判断失效件的热处理或冷加工工艺是否正常。分析失效件在工作条件下发生的腐蚀、磨损、氧化和外表加工硬化等。根据失效件上裂纹特征及裂纹两侧的显微组织来判断裂纹的性质。通过失效件材料内部的非金属夹杂物分析来判断材质是否合格。断口微观形貌分析断口分析：在失效分析中占有十分重要的地位。金属材料的断裂除与外部条件