零件失效分析3-3－失效分析思路、程序及基本技能

第3章失效分析的思路、程序和根本技能1.失效分析思路与方法

失效分析思路的重要性失效分析思路的方向性及根本原那么失效分析的主要思路〔重点〕

失效分析思路的重要性

失效分析与常规研究工作有所不同分析结论要正确无误，改进措施要切实可行失效分析任务繁重、时间紧迫后果严重、涉及面广

一果多因使失效分析的中间过程纵横交错、头绪万千，正确思路的指导有利于确定分析方向、明确分析范围、推断失效过程。

失效分析思路的重要性

失效分析的关键性试样十分有限，只容许一次取样，一次观察和测量。在分析程序上走错一步，可能导致整个分析的失败。

失效分析思路的重要性失效分析思路：综合分析调查、观察、检测和实验获得的失效信息以获取的客观事实为证据，全面应用推理的方法，判断失效模式，推断失效原因。失效分析思路贯穿在整个失效分析过程中。理论依据：装备构件失效的规律失效分析思路的方向性及根本原那么

失效分析思路方向的多种选择顺藤摸瓜、顺藤找根、顺瓜摸藤、顺根摸藤顺瓜摸藤+顺藤找根、顺根摸藤+顺藤摸瓜、顺藤摸瓜+顺藤找根失效分析思路的方向性及根本原那么根本原那么整体观念原那么从现象到本质的原那么动态原那么一分为二原那么立体性原那么失效分析思路的方向性及根本原那么具体方法系统方法抓主要矛盾方法比较方法历史方法逻辑方法

失效分析的主要思路

失效分析的主要思路“撒大网〞逐个因素排除的思路

残骸分析法

失效树分析法

“撒大网〞逐个因素排除的思路5M1EManMachineMaterialMethodManagementEnvironment不平安行为人的局限性载荷腐蚀介质温度材料的选择结构设计加工制造水平安装运输保护冶金质量热加工工艺冷加工工艺作业程序维修保养制度优点：缺点：“撒大网〞逐个因素排除的思路面面俱到，疑心一切，不放过任何一个可疑点。工作量较大。

“撒大网〞分析法多应用于重要失效事故的分析和军事部门，在一般实际应用中应有所侧重。

残骸分析法

残骸分析法：从物理、化学的角度对失效零件进行分析的方法。

线索来源服役条件断口特征失效的抗力指标零件的服役条件零件的失效分析主要的失效抗力指标主要的失效抗力指标与成分、组织、状态的关系提高失效抗力指标途径形成试验方案实验室试验选择最正确的材料和工艺使用考验力学计算应力分析结构改进台架模拟试验材料工艺改进以失效抗力指标为线索的失效分析思路示意图初步判断：可能原因材料化学成分错误加热温度过高原始材料组织有缺陷建立具体的分析思路和工作程序材质分析力学性能分析分析论证开裂原因断口分析结论显微组织分析举例：汽车轮毂紧固螺栓断裂事故分析现场信息调查：汽车轮毂紧固螺栓是汽车上至关重要的零件，如果该零件出现问题，轻那么造成交通事故，重那么造成车毁人亡，后果严重。某厂生产的汽车的左后轮紧固螺栓全部断裂，5个螺栓中有4个螺栓断裂前出现弯曲和扭转，1个螺栓被剪切，造成了车祸，该厂紧急召回了废车对其事故进行分析。初步判断：可能原因螺栓的力学性能不够结构和装配问题建立具体的分析思路和工作程序材质分析〔材料成分、显微组织〕力学性能分析〔工况、紧固、强度〕分析论证开裂原因断口分析〔形貌〕结论系统工程分析法失效树分析〔FTA法〕管理失误与风险树分析〔MORT法〕事件树分析〔ETA法〕…失效模式及效应分析〔FMEA法〕

失效树分析法

失效树分析〔FailureTreeAnalysis〕1960’s

由美国贝尔研究所首先用于导弹的控制系统设计上，预测导弹发射的随机失效概率。FTA法在国外被公认为是对复杂平安性、可靠性分析的一种好方法。失效树分析法：在系统设计过程中，通过对可能造成系统失效的各种因素〔包括软件、硬件、环境、人为因素等〕进行分析，画出逻辑框图〔即失效树〕，从而确定系统失效原因的各种可能的组合方式或发生概率，以计算系统失效概率，采取相应的纠正措施，以提高系统可靠性的一种设计分析方法。特点灵活性图形演绎的方法定性+定量FTA法的步骤失效树的建造失效树的定性分析

失效树的定量分析

根本领件的重要度分析失效分析的关键砂轮伤害事故的失效树图

击中人体砂轮伤害砂轮破碎飞出防护装置不起作用安装缺陷质量缺陷操作不当紧固砂轮用力过大上砂轮敲打过猛吃刀量过大砂轮不平衡有裂纹未检查安装不牢无防护罩启动过急“顶事件〞：系统不希望发生的失效状态作为失效分析的目标；“中间事件〞：导致这一失效发生的所有可能的直接原因；“底事件〞：导致每一个中间事件发生的所有可能的原因；顺序渐进，直至追踪到对被分析对象来说是一种根本原因为止。根本概念：事件符号：

顶上事件、中间事件符号，需要进一步往下分析的事件；

根本领件符号，不能再往下分析的事件；

正常事件符号，正常情况下存在的事件；

省略事件，不能或不需要向下分析的事件；失效树所用符号或门，表示B1或B2任一事件单独发生〔输入〕时，A事件都可以发生〔输出〕；

与门，表示B1、B2两个事件同时发生〔输入〕时，A事件才能发生〔输出〕；

逻辑门符号

失效树所用符号条件或门，表示B1或B2任一事件单独发生〔输入〕时，还必须满足条件a，A事件才发生〔输出〕；

条件与门，表示B1、B2两个事件同时发生〔输入〕时，还必须满足条件a，A事件才发生〔输出〕；

限制门，表示B事件发生〔输入〕且满足条件a时，A事件才能发生〔输出〕。失效树所用符号熟悉系统确定顶事件修改简化失效树建立失效树调查失效调查原因事件收集系统资料定性分析定量分析制定安全措施失效树的建立钻柱失效树模型2.失效分析的程序与步骤美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序

〔二〕裸眼观察失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口外表或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。2.失效分析的程序与步骤〔三〕机械设计分析〔应力分析〕当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析〔应力分析〕，正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和适宜的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。〔四〕化学成分设计分析据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。2.失效分析的程序与步骤〔五〕制造过程及其各工艺环节分析错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。〔六〕宏观断口形貌检查在裸眼和低倍放大下检查断口外表时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。2.失效分析的程序与步骤〔七〕微观断口分析包括断口显微形貌〔断口组织〕试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。〔八〕金相检验金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。2.失效分析的程序与步骤〔九〕性能检验性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。〔十〕失效分析模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。2.失效分析的程序与步骤

接受任务明确目的和要求

调查现场及收集背景资料

失效件的观察、检测和试验确定失效原因并提出改进措施

调查现场及收集背景资料现场失效信息的收集、保存与记录已经确认能反映失效事故的过程和起因的现象和物质估计可能用得着的物质和值得进一步分析的现象满足的条件：全面、三维地、定量地反映失效后的现场反映装备或零部件失效先后顺序的各种迹象反映失效机理的各种现象记录的方法：摄影、录像、笔记、画草图等。举例：某食品化工厂在生产1号食品添加剂时发生爆炸事故。其不锈钢旋转容器由两段圆筒以互为一定角度的V形焊接连接而成。旋转轴为两段短的水平轴，与涡轮减速器连接。怎么做？

做出失效现场的草图，在其中标出坐标的空间尺度；

将装备的所有残骸、碎片的散落地点用坐标注在草图上，并收集、清点、编号；记录并测量断裂区的塑性变形、断口角度和纹理、颜色、光泽等能反映断裂时的受力情况、变形和断裂开展过程的各种现象，绘出裂纹扩展方向图；收集与失效有关的物质，如气氛、物料粉尘、飞溅物、反响物，并注意机械划伤、污染吸附等痕迹；

残骸的重要关键性部位，供实验室分析用；

清理现场时将编号的无用残骸有秩序地堆放在避风雨的地方暂存、备用；调查、访问和背景资料的收集

设计的原始依据；

选材的依据；使用材料的牌号、性能指标、质量保证书、供给状态、验收记录、供给厂家、出厂时间等；

运行记录；

操作维修记录；

涉及合同、法律责任或经济责任，需查阅来往文件和信函；

失效件的观察、检测和试验观察宏观微观检测化学成分分析性能测试组织结构分析无损检测应力测试及计算模拟试验确定失效原因并提出改进措施总结报告失效过程的描述失效类型的分析和规模的估计现场记录和单项试验记录计算的结果失效原因处理意见对平安性维护的建议最重要知识和经验的总结3.失效件的保护、取样及试样清洗、保存失效件的保护断口保护机械损伤化学损伤断口脆弱显微形貌特征的消失或破坏在裂纹翻开、切割断口时要以保持断口原貌为原那么；在搬运断口时，最好在断口外表覆盖一层柔软的布或棉花加以保护；用缓和枯燥的压缩空气轻轻吹干断口外表，并将试样放在枯燥器、真空储存室中或用适宜的枯燥剂把试样封装起来；使用防腐蚀的外表涂料〔防锈漆、醋酸纤维丙酮溶液等〕；措施：失效件的清理枯燥气流或有机纤维软刷子；

有机溶剂及超声清洗；

醋酸纤维素复膜处理；

水基洗涤剂清理；

阴极清理；

化学侵蚀清理；先判断后清理，先外表后内层，尽量采用物理方法清理而少用化学方法。可信性可能性有效性经济性化学成分分析组织结构分析力学性能测试无损检测物化性能测试化学成分分析

化学分析法

光谱分析

微区化学成分分析X射线荧光光谱分析〔XFS〕X射线光电子能谱分析〔XPS〕原子发射光谱分析〔AES〕原子吸收光谱分析〔AAS〕电子探针X射线显微分析俄歇电子能谱分析类金刚石镀层表面的C1s峰谱图X射线光电子能谱分析〔XPS〕

点分析固定试样感兴趣的点，进行定性或半定量分析。该方法用于显微结构的成分分析，例如，对材料晶界、夹杂、析出相、沉淀物、奇异相及非化学计量材料的组成等研究。能谱分析〔EDS〕

线分析

电子束沿一条分析线进行扫描(或试样扫描)时，能获得元素含量变化的线分布曲线。如果和试样形貌像(二次电子像或背散射电子像)对照分析,能直观地获得元素在不同相或区域内的分布。Fe-Cr-Ni-B-Si-C等离子束外表冶金涂层中溶质元素的分布

面分析将电子束在试样外表扫描时，元素在试样外表的分布能以亮度分布显示出来〔定性分析〕。CrVNbNiSiTiFe-Cr-V-Ti-Ni-Nb-Si-B-C系外表冶金涂层时效组织的成分面扫描EPMA组织结构分析光学显微分析〔OM〕扫描电镜分析〔SEM〕透射电镜分析〔TEM〕X射线衍射分析〔XRD〕Ni-Cr合金的铸造组织

OMSEM刚玉经5%HF腐蚀后评定晶粒大小场发射扫描电镜云母的外表原子阵列扫描探针显微镜〔SPM〕TEM000100011111原位析出M3Si型硅化物的显微形貌及其选区电子衍射斑点

理学D/max2000自动X射线仪XRD等离子束表面冶金原位Fe-Cr-V-Ti-Ni-Nb-Si-B-C系涂层的X射线衍射结果

力学性能测试

拉伸试验

冲击试验

硬度试验

磨损试验

断裂试验

疲劳试验

无损检测(NondestructiveTesting,NDT)射线检测超声波检测涡流检测渗透检测磁粉检测声发射检测噪声检测激光检测微波检测目视检测工业CT检测

超声检测诊断(UltrasonicTesting,UT)

超声波与被检工件相互作用，根据超声波的反射、透射和散射的行为，对被检工件进行缺陷检测、几何特性测量。常用方法在传播路径上如果遇到一个细小的缺陷，如气孔、裂纹等，在金属与空气相接触的界面上就会发生反射，且能量被明显地衰减。

利用纵波，可以检验几何形状简单物体的内部缺陷。

利用横波可以探测管件、杆件和其他几何外形较复杂零件的缺陷。在同样工作频率下，横波探伤的分辨率要比纵波几乎高1倍。外表波沿着零件外表传播，可用来测量零件外表的裂纹和缺陷。主要方法共振法：检测工件的厚度穿透法：操作简单，灵敏度低脉冲反射法：应用最广直接接触法：声能损失小，探头磨损大液侵法：缺陷脉冲回波法示意图发射脉冲T发射脉冲T底面回波B底面回波B缺陷回波F探头焊缝超声反射法检测原理设备：超声探伤仪、探头、耦合剂及比照〔标准〕试块；用途：检测锻件的裂纹、分层、夹杂，焊缝中的裂纹、气孔、夹渣、未熔合、未焊透，型材的裂纹、分层、夹杂、折叠，铸件中的缩孔、气泡、热裂、冷裂、疏松、夹渣等缺陷及厚度测定。优点：对平面型缺陷十分敏感，一经探伤便知结果；易于携带；穿透力强。局限性：要求被检外表光滑，难于探测出细小裂纹；要有参考标准，为解释信号，要求检验人员有较高的素质；不适用于形状复杂或外表粗糙的工作。热交换器焊缝的超声检验

水轮发电机组大轴的超声检验

应用：X射线检测原理示意图缺陷射线衰减的能量与厚度有关射线检测涡流检测诊断(EddyCurrentTesting,ET)设备：涡流探伤仪和标准试块。用途：检测导电材料外表和近外表的裂纹、夹杂、折叠、凹坑、疏松等缺陷，并能确定缺陷位置和相对尺寸。优点：经济、简便，可自动对准工件探伤，不需耦合，探头不接触试件。局限性：仅限于导体材料，穿透浅，要有参考标准，难以判断缺陷种类，不适用于非导电材料。液体渗透检测诊断(Liquidpenetranttesting,PT)利用某些液体对狭窄缝隙的渗透性及其毛细现象来探测外表缺陷。预清洗去除外表多余的渗透液渗透枯燥显像检验磁粉检测诊断(MagneticParticleTesting,MT)铁磁性材料被磁化后，由于工件上存在不连续性，外表及近外表的磁力线发生局部畸变而产生漏磁场，吸附施加在外表的磁粉，在适宜的光照条件下形成可见的磁痕，从而显示出不连续性的大小、位置、形状和严重程度。缺陷处的磁粉聚集设备：磁头，轭铁，线圈，电源及磁粉。用途：检测铁磁性材料和工件外表或近外表的裂纹、折叠、夹层、夹渣等，并能确定缺陷的位置、大小和形状。优点：简单、操作方便，速度快，灵敏度高。局限性：限于铁磁材料，探伤前必须清洁工件，某些应用要求探伤后给工件退磁，难以确定缺陷深度，不适用于非铁磁性材料。

声发射检测诊断

(AcousticEmissionTesting,AE)

声发射是物体受外部条件作用使其状态发生改变而释放出来的一种瞬时弹性波，以释放应变能的现象。具备的条件材料要受外载作用材料内部结构或缺陷要发生变化充压系统的泄漏、材料的屈服过程、机械噪声都是连续型声发射信号。特点是：波幅没有大的起伏，发射频度高能量小。

材料中裂纹产生和扩展，会产生突发型声发射信号。为脉冲波形，峰值很大，但衰减很快。突发型连续型设备：声发射传感器、放大电路、信号处理电路及声发射信号分析系统。用途：检测构件的动态裂纹、裂纹萌生及裂纹生长率等。优点：实时并连续、动态监控探测，装置较轻便。局限性：传感器与试件耦合应良好，试件必须处于应力状态，延性材料产生低幅值声发射，噪声不得进入探测系统，设备昂贵，人员素质要求高。储氢瓶的声发射在役检验

在役压力容器的声发射检测与评价过程框图容器停产倒空耐压试验声发射检测活性声发射源常规无损检测复验超标缺陷综合评定与处理翻修后第二次耐压试验气密试验容器平安等级综合评定宏观检验焊缝外表100%磁粉探伤

噪声检测诊断

(SoundTesting)

设备：声级计、频率分析仪、噪声级分析仪。用途：检测设备内部结构的磨损、撞击、疲劳等缺陷，寻找噪声源(故障源)。优点：仪器轻便，检测分析速度快，可靠性高。局限性：仪器较贵，对人员素质要求较高。激光检测诊断(LaserTesting)设备：激光全息摄影机。用途：检测微小变形、夹板蜂窝结构的胶接质量，充气轮胎缺陷、材料裂纹、高速物理过程中等离子体诊断和高速碰撞等。优点：检测灵敏度高、面积大、不受材料限制、结果便于保存。局限性：仅适用于近外表缺陷检测。目视检测诊断(VisualTesting,VT)设备：放大镜、彩色增强器、直尺、千分卡尺、光学比较仪及光源等。用途：检测外表缺陷、焊接外观和尺寸。优点：经济、方便、设备少，检验员只需稍加培训。局限性：只能检查外部(外表)损伤，要求检验员视力好。工业CT检测诊断设备：工业CT机。用途：缺陷检测，尺寸测量，装配结构分析，密度分布表征。优点：能给出检测试件断层扫描图像和空间位置、尺寸、形状、成像直观；分辨率高；不受试件几何结构限制。局限性：设备本钱高。无损检测方法的选择

缺陷的类型：体积型缺陷、平面型缺陷缺陷的位置：外表缺陷、内部缺陷

被检工件的尺寸：厚、薄参考书目：5.失效分析的几种根本技能

断口分析

裂纹分析

痕迹分析

断口分析断口上记录着裂纹由萌生到扩展直至失稳断裂全过程的各种与断裂有关的信息，通过分析，找出断裂的原因及影响因素。宏观分析微观分析肉眼观察放大镜体视显微镜不可分割相互补充相互完善SEMTEM成分分析分析内容断裂位置附近的变形程度断裂区域的痕迹特征断口的宏观形貌特征断口的颜色及附着物断裂源的位置、特征及裂纹的走向断裂的位置及其结构特征、周围的工作环境典型断口特征？？肉眼观察断口形貌特征及失效件的全貌放大镜、体视显微镜进一步观察主要特征区，确定重点分析部位

重点注意的特征是否存在放射把戏或人字纹把戏是否存在弧形迹线断口的粗糙度断面与最大正应力的夹角特征区的划分、分布、面积大小材料缺陷在断口上所呈现的特征断面的光泽与色彩断口上断裂源位置确实定？

断裂扩展方向的分析判别？纤维区的中心、放射把戏的收敛处、人字纹的最尖顶处、断口的平坦区内、无明显塑性变形的区域或无剪切唇形貌特征区、疲劳弧形的最小半径处、腐蚀氧化最严重的部位、台阶高度最大处。裂纹源区指向最后断裂区的方向；放射线发散的方向；与疲劳弧线相垂直的放射状条纹分散方向；人字纹的人字张开的方向；断口的平坦区指向斜断口的方向；无塑性变形区指向变形大的区域的方向；台阶高差减小的方向；氧化、腐蚀减轻的方向。具体内容断口周围的塑性变形大小或有无断口与显微组织的关系断口与晶界的关系断裂源区的情况〔材质缺陷或几何缺陷〕断口的化学成分或杂质元素的分布断口上二次裂纹的有无、多少、分布情况形貌观察微区成分分析断裂扩展的微观方向判别

裂纹分析目的：确定裂纹的位置及裂纹产生的原因裂纹的根本形貌特征

裂纹的宏观检查

裂纹的微观检查

产生裂纹部位的分析

主裂纹的判别

裂纹的走向

裂纹周围和裂纹末端情况重要裂纹的根本形貌特征

裂纹两侧凹凸不平，耦合自然；除某些沿晶裂纹外，多数裂纹的尾端是锋利的；

裂纹深度大于宽度，是连续性的缺陷；

裂纹有各种形状，直线状、分枝状、龟裂状、辐射状、环形状、弧形状，形状与形成的原因密切相关

裂纹的宏观检查－－是否存在裂纹

肉眼观察

无损检测

裂纹的微观检查

裂纹形态特征；

裂纹处及附近的晶粒度，晶粒变形；

裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物；

裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象；

裂纹萌生处及扩展路径周围是否有过热组织、魏氏组织、带状组织等组织缺陷；

产生裂纹部位的分析－－应力的因素

构件结构形状引起的裂纹

材料缺陷引起的裂纹

受力状况引起的裂纹

主裂纹的判别首要任务确定主裂纹的原那么：〔1〕断裂件中既有韧性断裂又有脆性断裂，一般脆性断裂发生在前；〔2〕断裂件中既有脆性断裂又存在疲劳断裂时，疲劳断裂在前；〔3〕存在两个疲劳断裂件时，低应力疲劳断裂在前，高应力疲劳断裂在后；〔4〕各断裂件均为韧性断裂时，应根据受力状态、结构特性、断裂走向、材质与性能综合评定；常用判断裂纹先后顺序的方法：

塑性变形量大小确定法无明显塑性变形的区域为首断区；均为延性断裂时，变形量大的部位为主裂纹；

T

型法判别主裂纹的T型法示意图

裂纹分叉法

断面氧化颜色法

疲劳裂纹长度法判别主裂纹的分叉法示意图主裂纹氧化时间早，氧化颜色深；疲劳裂纹长、疲劳弧线或疲劳条带间距小的为主裂纹；

裂纹的走向〔1〕应力原那么--