失效分析04150

1、失效分析提高机械产品信誉，必须使机械产品牢固可靠，可是在技术上要求机械产品达到100的可靠性是不可能的，所以要求尽可能地降低机械产品的事故率。因为机械产品在使用过程中常常发生断裂、变形、磨损、腐蚀等失效现象的发生，找出失效原因和提出改进措施，必须开展失效分析实例的研究。目前，随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科。它不仅与断裂力学、断裂物理、断口学等学科相关联，而且还涉及产品质量全面管理等领域。失效1 失效的基本概念失效是指机械或机械零件在使用过程中（或者是在使用前的试验过程中），由于尺寸、形状、材料的性能或组织发生变化而引起的机械或机械零件部件不能完满地完成指定的功能，或

2、者机械构件丧失了原设计功能的现象。常见的失效形式可分为下列四种：弹性变形失效；塑性变形失效；破断或断裂失效；材料变化引起的失效。机械或机械零部件失效部位可出现如下两种情况：物体内部缺陷引起的失效；物体表面缺陷引起的失效。2 失效的形式及其类型失效的分类比较复杂，在这里不可能一一作介绍，本文按失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。（1） 断裂失效(其中包括破断失效)断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。断

3、裂失效类型有如下几种：解理断裂失效；韧窝破断失效；准解理断裂失效；滑移分离失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐蚀断裂失效；液态或固态金属脆性断裂失效；氢脆断裂失效；沿晶断裂失效； 其他断裂失效等。（2） 变形失效所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时的变形量。一般情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效

4、将使机械构件表面不留任何损伤痕迹，仅是金属材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。（3） 磨损失效磨损是指金属或合金的两个相互紧密结合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。在微观范围内，金属表面是不存在完全光滑的平面，它们总是粗糙的。当两个金属表面在很小的压力作用下使两面相接触，面之间只有少数的凸出质点或线接触；在发生相对运动时，一个面上的凸出质点首先要碰到另一个面上的凸出质点，这时容易变形的部分软化，沿运动方向变形或挤出。磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。磨

5、损失效的类型有：粘着磨损失效；磨粒磨损失效；腐蚀磨损失效；变形磨损失效；表面疲劳磨损失效；冲击磨损失效；微振磨损失效等。（4） 腐蚀失效腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济上所造成的损失是相当严重的。然而，就其总的功过而论却是破坏性的。由于腐蚀作用使机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。腐蚀失效的类型有：直接化学腐蚀失效；电化学腐蚀失效；点腐蚀失效；局部腐蚀失效；沿晶腐蚀失效；选择性腐蚀失效；缝隙腐蚀失效；生物腐蚀失效；磨损腐蚀失效；氢损伤失效；应力腐蚀失效；微振腐蚀失

6、效等。3 失效分析实效分析是指分析研究机械构件的断裂、变形、磨损、腐蚀等失效过程的特征或规律，并从中找出损坏的原因的一门新的分析技术，称为“失效分析”或“失效分析学”，还有人称之为“事故分析”或“故障分析”等。失效分析是一门涉及多学科的边缘学科，它包括断裂力学、断裂物理、材料学、化学、工艺学、断口学及其检验方法等知识。从事失效分析的工程技术人员不仅要正确地掌握这些知识，而且还必须将各专业知识和技术准确地用到失效分析工作中去，因此说失效分析工作是一项综合性的分析技术工作。机械产品在运行过程中常常发生断裂失效现象，从而造成不同程度的损失，尤其是突然断裂失效。例如，低应力脆性断裂失效、疲劳断裂失效、

7、应力腐蚀断裂失效等造成的损失就更大。因此人们对断裂失效现象比较重视。长期以来，在断裂失效方面做了大量的工作，国内外均有专著及论文报道。在断裂失效中，疲劳断裂失效居首位，它占失效实例总数的6070作右；环境断裂失效居第二位，它占失效实例总数的2030左右；由其他原因引起的断裂失效约占失效实例总数的10左右。失效分析的目的1 防止同类失效现象重复发生通过对失效机械产品的分析研究，可以测定机械产品的失效原因及其影响因素，并且根据这些测定结果制定改进措施，以防同类失效现象的重复发生。例如通过对汽轮机第一级动叶片断裂失效分析，可确定动叶片断裂是由于共振现象引起的，所以要改进叶片的激振频率，使它不落入叶片

8、的自振频率范围之内。这样改进后的动叶片就不发生由于共振所引起的断裂失效，确保汽轮机组的安全运行。2 失效分析是机械产品设计、制造的依据失效分析在整个机械产品生产过程中占据着重要地位，尤其是机械产品的设计、制造、加工、选材、装配及使用条件等的确定均由失效分析提供依据。有关失效分析与机械产品的设计、制造等因素的关系如图91所示。经济性经济性经济性经济性经济性经济性经济性经济性经济性经济性经济性图91 失效分析与设计、制造等因素的关系3 消除隐患，确保产品安全可靠失效分析可以几时发现产品的缺陷，并且将隐患消除在事故的萌发阶段。特别是利用“故障树”预测系统的安全性和可靠性更为有利。“故障树”是失效分析

9、中的一种方法，它主要由各种可能引起系统失效的事故和连接这些事故的逻辑门组成的图形，并显示出他们之间的相互关系。4 失效分析可以提高产品的信誉机械产品的信誉主要是由产品的质量、寿命及可靠性等指标来保证的，同时也要求产品价廉物美，经久耐用。因此要提高产品的信誉就必须使产品达到质量好、寿命长、可靠性高，而这些指标是由失效分析来保证的。实效分析不仅可以提高产品的质量和延长产品的使用寿命，而且还能进行技术反馈，提高企业的经济效益。机械产品的信誉提高与失效分析的关系，如图92所示。另外，实效分析还能为产品的仲裁、索赔，制定指令性文件等提供重要依据。失效分析对质量控制、材料的发展及规划、仪器设备的正确维护和

10、使用等也可提供合理化意见。高信誉的机械产品机械产品事故失效分析最佳工艺、材料、形状试验分析环境调查工艺制定等等故障再现实物试验试制产品数据处理图92 机械产品的信誉与失效分析的关系失效分析方法机械构件在使用过程中常常发生磨损、腐蚀、变形和断裂等损坏现象，造成严重事故的例子是举不胜举的。人们为了防止机械构件的损坏，特别是突然断裂损坏现象的发生及提高材料的使用寿命，很早就开始对机械构件损坏的原因进行分析和研究，并据此提出防止类似事故再度发生的改进措施。这样就形成了一门新的分析技术，称之为“失效分析”或“事故分析”。在进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。现简介如下：因为机械构件多数是在运行过程中

11、发生断裂失效的，每当一个零部件断裂损坏时，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有着十分密切的关系。查找原因时要从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，并根据损坏的原因、机理、类型和阶段，进行分析判断，制定出改进措施。断裂过程是个动态变化过程，对断裂直接进行观察分析是比较难的；而断口是断裂的静态反映，如果对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等。因为断口如实地反映了机械构件断裂的全过程，及机械构件裂纹的萌生与扩展过程，因此断口分析是机械构件断裂失效分析的一个重要手段。为了取得更好的分析效果，对这一分析手段还必须辅

12、以一系列其他的检验方法，如无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、X射线分析、断裂韧性试验、电子能谱分析、模拟试验等。最后将上述分析和试验的结果与数据进行综合分析，并提出改进措施，写出失效分析报告。1 原始资料的收集原始资料是指构件服役前的全部经历，构件的服役历史和断裂时的现场情况等。此外，还要从散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。（1） 构件服役前的经历首先要了解构件的设计依据，参数和图纸；其次是了解构件的制造和加工工艺；然后了解构件的物理性质、力学性能和化学成分分析的检验报告；最后还要了解构件的安装情况和试车情况等。（2） 构件的服役历史 查阅操作人员的工作

13、记录； 构件的实际运行情况； 构件所处的环境条件。可是，实际上是很难知道构件的全部服役历史的。这时必须从零星的使用情况分析构件服役时的负载变化，尽量从使用条件中得出一些分析依据。（3） 场记录及残骸的收集断裂失效现象发生后，分析人员要亲临现场，深入了解失效发生时各种条件和事故过程。对散落的碎片，均应观察其所处的位置、环境和取向，经详细记录或摄影后，方可移动。同时还应注意损坏构件与其他构件之间的关系和相互影响，并予以记录。收集的碎片应尽可能齐全，尤其是首先断裂的部分。除沾着的腐蚀介质应即时清洗去掉外，对断口上的其他沉积和粘附物质，甚至砂粒或污物等，一般均暂不清除，待进行细致的断口观察后再作处理，

14、因为这些物质对断裂原因的分析常常能提供有用的线索2 碎片（或断片）的选择与保存断片时断裂失效分析的第一手资料，是断口分析的依据，在断裂事故发生后应小心谨慎收集，妥为保存。（1） 主裂纹的判别机械构件断裂事故大多数是在运行中发生的，经常是一个构件断裂后，其断片击断其它构件。例如汽轮机运行时，若一片叶片断裂时，其叶片的断片将会击断或碰伤其它叶片，造成较大的断裂事故发生。因此在进行断口分析时，首先要选择最先开裂的构件断口。有时一个构件在断裂过程中形成几个断片时（例如高压容器或锅炉爆炸事故等），也要选择最先断裂的断口，即主裂纹所形成的断口。经常使用的主裂纹的判别方法有：T型法，分枝法，变形法和氧化法等

15、四种方法。T型法 将散落的断片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T型。在一般情况下，横贯裂纹A为首先开裂的，A型纹阻止B裂纹扩展或者B裂纹的扩展受到A裂纹的阻止时，A裂纹为主裂纹，B裂纹为二次裂纹。分枝法 将散落断片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝型。在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向通常为裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。变形法 将散落断片按相匹配断口合并，构成原来机械构件的几何外形，测量其几何形状的变化情况，其变形量较大的部位为主裂纹，其它部位为二次裂纹。氧化法 在受环境因素影响较大的断裂失效中

16、，检验断口各个部位的氧化程度，其中氧化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。上述四种判别方法请参阅图93所列的四种示意图。（2） 二次裂纹的选择在断裂失效分析过程中，主裂纹所形成的断口损伤很严重而不能提供断裂形貌特征时，要分析研究二次裂纹所形成的断口。二次裂纹的判别方法如上所述。二次裂纹的类型有：分枝的二次裂纹；横向取向的二次裂纹，即与主裂纹垂直的二次裂纹和独立的二次裂纹等。利用二次裂纹选取断口试样主要是下面几种情况： 主裂纹化学腐蚀严重。例如环境断裂条件下，主裂纹不能提供断口形貌特征时，必须研究二次裂纹所

17、形成的断口； 机械擦伤严重的主裂纹断口不能反映出断裂形貌特征，亦必须研究二次裂纹。 在高温条件下所形成的主裂纹断口，往往有一层较厚的氧化膜，这时也要研究二次裂纹所形成的断口； 分析研究断裂机理、断口精细形貌特征时，则要详细地观察断口形貌特征，这时二次裂纹断口比主裂纹断口能提供更多的信息。（3） 断口的保存在分析损坏现象时，材料断裂的发生及传播过程与断口形貌的对应关系是很重要的。根据材料断裂的条件和断口形貌特征可分析出材料的断裂原因。因此，对断口表面必须保护得非常完整，不能碰伤，严防用手抚摸断口表面，以保持断裂时的原有状态。特别是在机械构件断裂失效后，往往会使构件断面擦伤和锈蚀，所以在分析过程中

18、要十分注意对断口的保存。失效件或断口的保存方法： 使失效件或断口表面保持干燥，在移动过程中，尽量使断口表面不要相互磨损；若失效件或断口较小时，将失效件或断口放入干燥皿里或塑料袋里保存。 应用防锈漆或者其它涂料将失效部位或断口保护起来。但是在应用这种方法时要注意，所使用的防锈漆或其它涂料要对断裂表面不发生腐蚀，并且容易去除。为了全面地进行实效分析，除了断口分析所需的试样之外，其它分析检验项目还需要各种试样，如机械性能试样、化学分析样品、电子探针试样、金相试样、表面分析试样、断裂韧性试样和模拟试验用的试样等。这些试样均要在选择断片时考虑进去，要从构件有代表性的部位上截取。在截取之前都应在构件上画好

19、截取的部位，用草图和照相记录，标明是哪种试样，以免弄混而导致错误的分析结论。截取试样时要小心保护断口或裂纹，使截取下的试样不受损伤，不改变断口形貌及微观组织形态，不受高温的影响或者其它的化学腐蚀，使断片或断口保持干燥。无论用什么方法截取试样时，都要远离断口表面，要避免断口受到损伤，尤其时裂源更要加强保护。如果将裂源损伤，则将很难进行断口分析。3 断口分析在机械构件断裂事故中，一般都要形成断口，因此断口分析是断裂失效分析的最重要的分析手段。在断口分析技术中，最关键的两项工作是：断口的选择；断口的观察。 对于断裂原因的正确分析及断口形貌的正确解释，在很大程度上依靠与断口样品的正确选择及断口形貌的清

20、晰程度 断口观察包括宏观观察和微观观察。断口宏观观察主要是确定裂源位置及裂纹的扩展方向；断口微观观察是在宏观观察基础上，对裂源区、裂纹扩展区及最终断裂区进行检验。通常是应用电子显微镜、电子探针、离子探针及俄歇谱仪等工具来观察或检查微观形貌特征，微量或痕量元素对断裂的影响等，进一步判断和证实断裂的性质及方式。在断口分析中必须注意这二者的结合并用。（1）断口的宏观观察断口的宏观观察是指用肉眼、放大镜、光学显微镜及扫描电镜的低倍观察。首先用肉眼或放大镜观察断裂构件的外貌，应特别注意构件断片的表面观察，看一看是否有加工缺陷，例如刀痕、折叠等和变形及缩颈、弯曲等，是否存在着产生应力集中的薄弱环节，例如尖

21、角、油孔等，以及表面损伤如化学腐蚀、机械磨损等。接着，根据断口的宏观特征来确定裂源及其裂纹的扩展方向。在此基础上将断口按裂源区、裂纹缓慢扩展区和裂纹快速扩展区进行光学显微镜和扫描电子显微镜的低倍观察，特别是裂源区要用双筒立体显微镜进行反复观察，因为裂源往往与材料缺陷有联系。（2）断口的微观观察断口的微观观察通常是应用电子显微镜。断口的微观观察是在断口的宏观观察的基础上进行的。通过对断口的微观观察除可进一步澄清断裂的路径、断裂的性质、环境对断裂的影响等之外，还将找出断裂的原因及其断裂机理等因素。但是，在进行微观观察时，要注意防止片面性，不能从局部的特征轻易地作出结论。例如在脆性断口上，亦可找到局

22、部呈现韧窝花样的区域；或者在韧性断口，也可找到呈现解理或准解理的河流花样等区域。因此，必须进行反复多次的观察，对于各种显微形貌特征，要有个数量的概念或统计的概念，并且还要与宏观观察的情况结合起来，才能得出正确的判断。断口的微观观察除作定性的分析研究之外，还可以作定量的分析研究。例如分析研究断口显微参量与断裂力学参数之间的定量关系等。应用透射电子显微镜不能直接检查断口表面，需要制作塑料碳复型，且用重金属投影增强反差。用于萃取复型的一个有效的辅助方法，是通过电子衍射技术鉴别第二相离子或者腐蚀产物等。应用扫描电镜可直接检查实物断口表面，它可以进行连续放大观察。电子图象立体感强，其分辨本领可达15nm

23、左右，他是断裂失效分析的最有力的工具。4 其它检验分析在失效分析中，为更好地获得分析结果，除了进行断口分析之外，还必须进行化学、力学、物理等试验分析。（1）化学分析在失效分析中，为了查明材料是否符合规定要求，必须进行化学成分分析。实际使用的材料成分与规定成分稍有偏差，在失效分析中并不太重要。只有很少数的服役失效是由于材料使用不当或者有缺陷而引起的。因此，从化学成分分析的结果去找到失效的原因是很少见的。在某些特殊失效分析中，特别是包含着腐蚀和应力腐蚀的失效案例，则很需要对腐蚀表面沉积物、氧化物或者腐蚀产物以及与被腐蚀材料接触的介质进行化学分析，以助于初步确定失效的原因。化学分析，包括常规的、局部

24、的、表面的和微区的化学分析。在分析中应当注意常规成分报告中那些没有规定限量的有害元素，例如，砷、锑、铅、锡、铋等是否超过限量。另外，还要注意气体含量，例如氢、氧、氮等也不能超过一定的限量。在失效分析中，经常使用电子探针、俄歇谱仪、离子探针等仪器来检测腐蚀产物、表面化学元素组成、化学成分的局部偏析、微量及痕量元素等。（2）金相检验金相检验在构件断裂失效分析中也是经常应用的一种重要手段，有些损坏构件往往只需作金相检验就可以查明损坏的原因。例如由加工工艺、材质缺陷和环境介质等因素所导致的损坏，均可通过金相检验来判别损坏的原因。金相检验的内容，主要由晶粒的大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的

25、变化、夹杂物、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。特别应注意晶界的检验，是否有析出相、腐蚀及变化等现象发生。当检查裂纹时，往往能从裂纹尖端的试样得到最有价值的情报。由于它受到环境介质的影响较小，容易判别裂纹扩展路径的方式穿晶型或沿晶型。（3）结构分析断口上经常有夹杂物、第二相、腐蚀产物等析出或生成，它们对构件断裂尤其是沿晶断裂影响显著。因此，对它们进行结构分析，通常使用X射线衍射仪及电子显微镜的选区电子衍射，以确定其结构及化学组成是很有必要的。（4） 断裂力学分析断裂力学对于金属材料的研究、机械构件的设计、构件安全寿命的预测及剩余寿命的估算等方面，均起着重要的作用。在机械构件设计时，不能单纯追求材料的强度指标，尤其是