失效的来源及试验技术

1、Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences白培谦白培谦2009年8月陕西理化专业委员会陕西理化专业委员会Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences 白培谦：出生于白培谦：出生于19651965年，大学文化，金年，大学文化，金相分析研究员级高级工程师，所学专业为金相分析研究员级高级工程师，所学专业为金属材料与热处理。在陕汽集团从事理化分析、属材料与热处理。在陕汽集团从事理化分析、失效分析工作失效分析工作2323年，熟悉失效分析及试年，熟悉失效分析及试 验验技

2、术工作技术工作. .现任陕汽集团理化科科长，中西现任陕汽集团理化科科长，中西部地区理化检验联合会秘书长部地区理化检验联合会秘书长Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences1.1.失效的来源及典型案例分析失效的来源及典型案例分析2.2.失效分析的常规作法和试验技术应用失效分析的常规作法和试验技术应用主要内容主要内容Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效：失效：通常说法，将产品丧失其通常说法，将产品丧失其规定功规定功能能的现象称之为失效。的现象称之为失

3、效。机械失效：机械失效：机械零部件、装置和系统在机械零部件、装置和系统在制造或服役过程中丧失其规定功能不能制造或服役过程中丧失其规定功能不能服役，或不能继续可靠地服役的现象统服役，或不能继续可靠地服役的现象统称为机械失效。称为机械失效。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences3.3.受到严重损伤，不能可靠而安全地继续使受到严重损伤，不能可靠而安全地继续使用，必须立即从机器上拆下来进行修理或更用，必须立即从机器上拆下来进行修理或更换时。换时。有下列有下列三种状态之一三种状态之一的零部件均为失效的零部件均为失效1.1.当它完全

4、不能工作时。当它完全不能工作时。2.2.仍然可以工作，但不能圆满的完成规定任仍然可以工作，但不能圆满的完成规定任务。务。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences汽车传动轴轴叉断裂，不能工作汽车传动轴轴叉断裂，不能工作Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences汽车钢圈根部产生裂纹，仍然可以使用汽车钢圈根部产生裂纹，仍然可以使用Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences石油钻杆刺穿，必须拆

5、换石油钻杆刺穿，必须拆换Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源一一. .失效的来源失效的来源设计、选材、材料缺陷、制造工艺、再加工、设计、选材、材料缺陷、制造工艺、再加工、组装、检查、试验、质量控制、贮运、工作组装、检查、试验、质量控制、贮运、工作条件、维修、过载、机械损伤、化学损伤。条件、维修、过载、机械损伤、化学损伤。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源一一. .设计阶段的失误与失效设计阶段的失误与失效

6、机械设计的基本内容与失效机械设计的基本内容与失效a.a.机械设计的三个阶段机械设计的三个阶段： 方案设计方案设计 结构设计结构设计 工艺设计工艺设计Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源b .b .机械设计失误包括机械设计失误包括 1 1 设计观点中有基本错误设计观点中有基本错误 2 2 选材不当，或未考虑发挥材料性能潜力选材不当，或未考虑发挥材料性能潜力 3 3 设计结构或工艺规范不合理设计结构或工艺规范不合理 4 4 对应力集中的作用估计不足对应力集中的作用估计不足 5 5 对工作环境条件（低温、

7、腐蚀、高速、对工作环境条件（低温、腐蚀、高速、重载）等缺乏充分估计重载）等缺乏充分估计 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源机械设计失误典型案例机械设计失误典型案例1 1 支座设计结构不当形成应力集中疲劳断裂支座设计结构不当形成应力集中疲劳断裂图图1.1.筋板没有延伸出去形成应力集中筋板没有延伸出去形成应力集中 图图2. 2. 改进后结构改进后结构Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 支座右边固定板从加强

8、筋根部断裂，同时左边固定板从加强筋根部支座右边固定板从加强筋根部断裂，同时左边固定板从加强筋根部已经开裂，尚未发生断开，如图已经开裂，尚未发生断开，如图3 3所示。图所示。图4 4为断口形貌，裂纹源产生于为断口形貌，裂纹源产生于固定板和筋板的根部，整个断裂源区为台阶状，为线源特征。源区局部固定板和筋板的根部，整个断裂源区为台阶状，为线源特征。源区局部放大形貌可见扩展区有明显的贝纹状特征，贝纹线较少，为疲劳断裂的放大形貌可见扩展区有明显的贝纹状特征，贝纹线较少，为疲劳断裂的宏观特征形貌。从图宏观特征形貌。从图2 2可以看出筋板和固定板交接处圆弧较小，存在明显可以看出筋板和固定板交接处圆弧较小，存

9、在明显的应力集中。的应力集中。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 分析结果表明，支架材料为分析结果表明，支架材料为ZG270-500 ZG270-500 ，热处理状态为正常，热处理状态为正常的正火状态。断口分析表明支座的断裂为疲劳断裂，说明支座在的正火状态。断口分析表明支座的断裂为疲劳断裂，说明支座在实际的使用中受到的应力较大，远远的超出了零件材料的疲劳强实际的使用中受到的应力较大，远远的超出了零件材料的疲劳强度，从设计结构上分析，零件的筋板根部明显存在应力集中，并度，从设计结构上分析，零件的筋板

10、根部明显存在应力集中，并且筋板没有延伸到零件的边缘，使得弯曲力臂增大，零件所受的且筋板没有延伸到零件的边缘，使得弯曲力臂增大，零件所受的弯矩较大，导致发生弯曲疲劳断裂。对设计结构进行修改，消除弯矩较大，导致发生弯曲疲劳断裂。对设计结构进行修改，消除应力集中，设计更改后，采用了图应力集中，设计更改后，采用了图2 2的结构形式。消除了应力集的结构形式。消除了应力集中，支架再没有发生疲劳断裂中，支架再没有发生疲劳断裂Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：设计选用材料强度不足，变形失效案例：设计选用材料

11、强度不足，变形失效 玻璃升降器在安装调试过程中发生变形，从图玻璃升降器在安装调试过程中发生变形，从图1 1可以看出玻璃升可以看出玻璃升降器的摇杆严重扭曲变形，图降器的摇杆严重扭曲变形，图2 2显示摇杆固定位置的铆钉已脱落，铆显示摇杆固定位置的铆钉已脱落，铆钉孔变形。对摇杆做失效分析如下。钉孔变形。对摇杆做失效分析如下。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源化学成分（）化学成分（）C C：0.08 S0.08 S：0.011 P0.011 P：0.01 0.01 SiSi：0.07 0.07 MnMn：

12、0.35 0.35 硬度：硬度：103 HB2.5/187.5103 HB2.5/187.5金相组织：铁素体金相组织：铁素体+ +少量珠光体，如图少量珠光体，如图3 3所示。结果分析：玻璃升降器的摇所示。结果分析：玻璃升降器的摇杆为杆为10#10#钢，强度、硬度都很低，塑性较好，容易变形，从铆钉的脱钢，强度、硬度都很低，塑性较好，容易变形，从铆钉的脱落，可以看出铆接质量也不好，所以在使用中受力较大后容易产生变落，可以看出铆接质量也不好，所以在使用中受力较大后容易产生变形和铆钉脱落，建议设计选用强度较好的材质如形和铆钉脱落，建议设计选用强度较好的材质如20#20#钢或钢或16Mn16Mn，并且，

13、并且控制铆接质量。控制铆接质量。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：设计选用材料没有考虑热处理状态，强度低断裂案例：设计选用材料没有考虑热处理状态，强度低断裂 某电机厂电机轴，使用某电机厂电机轴，使用3 3小时断裂，做理化检验如下。断小时断裂，做理化检验如下。断裂位置如图裂位置如图1 1所示，在电机轴和轴承配合的端面发生断裂，该处所示，在电机轴和轴承配合的端面发生断裂，该处为轴的截面变化部分，即台阶处，存在应力集中，断口表面平为轴的截面变化部分，即台阶处，存在应力集中，断口表面平齐并且垂直于轴

14、线方向，断裂源区发生于轴的外表面，为多个齐并且垂直于轴线方向，断裂源区发生于轴的外表面，为多个源区，断口的最后断裂区靠近心部，有明显的扭转变形的凸起，源区，断口的最后断裂区靠近心部，有明显的扭转变形的凸起，分析认为断裂为一次性扭转断裂。分析认为断裂为一次性扭转断裂。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 该电机轴材料为该电机轴材料为4545钢，硬度钢，硬度176HB,176HB,热处理状态为退火态。该电机热处理状态为退火态。该电机输出部分为承载较大的机床，所以要求电机轴应有一定的硬度和强度，输出部分为

15、承载较大的机床，所以要求电机轴应有一定的硬度和强度，在常规的机械设计中承载较大的轴类不但要进行调质等热处理，要求在常规的机械设计中承载较大的轴类不但要进行调质等热处理，要求较高的还需要表面强化处理，而该轴没有经过调质处理，硬度低，强较高的还需要表面强化处理，而该轴没有经过调质处理，硬度低，强度差，所以在使用中发生早期扭转断裂。建议对承载负荷进一步计算，度差，所以在使用中发生早期扭转断裂。建议对承载负荷进一步计算，以确定电机轴的强度等级，为合理的选用电机轴的材料和热处理状态以确定电机轴的强度等级，为合理的选用电机轴的材料和热处理状态提供依据。提供依据。Institute of Metal Res

16、earch, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：设计对应力集中的作用估计不足案例：设计对应力集中的作用估计不足 重型汽车重型汽车380L380L油箱在使用过程中发生多起漏油失效事故。将漏油箱在使用过程中发生多起漏油失效事故。将漏油的油箱解剖，发现漏油处油的油箱解剖，发现漏油处内隔板与油箱本体焊接部位附近撕裂内隔板与油箱本体焊接部位附近撕裂，撕裂情况见图撕裂情况见图1 1。对失效件进行常规理化检测、。对失效件进行常规理化检测、 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失

17、效的来源 分析认为，油箱内的燃油随汽车运行会对隔板产生冲击力，分析认为，油箱内的燃油随汽车运行会对隔板产生冲击力，导致隔板焊点附近形成一个弯曲应力，同时由示意图可知，油箱导致隔板焊点附近形成一个弯曲应力，同时由示意图可知，油箱本体与隔板焊接处附近客观存在的应力集中情况又将该应力局部本体与隔板焊接处附近客观存在的应力集中情况又将该应力局部放大。在二者的综合作用下，隔板于应力集中处附近产生微裂纹，放大。在二者的综合作用下，隔板于应力集中处附近产生微裂纹，此微裂纹在汽车运行期间不断扩展，直至隔板完全裂开。隔板的此微裂纹在汽车运行期间不断扩展，直至隔板完全裂开。隔板的受力类似于悬臂梁结构，如果受力类似

18、于悬臂梁结构，如果在隔板和本体处加焊筋板将隔板固在隔板和本体处加焊筋板将隔板固定，强度将大大提高定，强度将大大提高。建议设计改进。建议设计改进 焊接处微观组织形貌焊接处微观组织形貌 100X100XInstitute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源二二. .材料缺陷与失效材料缺陷与失效 许多事故都是由于材料中存在缺陷造成的，许多事故都是由于材料中存在缺陷造成的，内部缺陷和表面缺陷都可能降低材料的总强内部缺陷和表面缺陷都可能降低材料的总强度，起到度，起到缺口缺口作用，使裂纹由此扩展或成为作用，使裂纹由此扩展或成为最

19、先产生麻点腐蚀的位置、或晶间腐蚀的部最先产生麻点腐蚀的位置、或晶间腐蚀的部位。位。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源金属材料中常见的缺陷形式金属材料中常见的缺陷形式 偏析、分层、带状组织、夹杂物、偏析、分层、带状组织、夹杂物、疏松、空隙、裂纹、白点、氧化脱碳、疏松、空隙、裂纹、白点、氧化脱碳、过热、过烧、脆性、铸件的冷隔、白口、过热、过烧、脆性、铸件的冷隔、白口、球化不良、柱状粗晶、锻造的折叠、接球化不良、柱状粗晶、锻造的折叠、接缝、收缩、空洞、锻造流线花样、热处缝、收缩、空洞、锻造流线花样、热处

20、理的淬火软点、淬火变形、等等。理的淬火软点、淬火变形、等等。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：案例： 带状组织引起冷变形开裂带状组织引起冷变形开裂 某公司使用的一批管子，在折弯成型时在折弯处均发生某公司使用的一批管子，在折弯成型时在折弯处均发生断裂失效，断裂发生于折弯的直角处，主裂纹为纵向的两条断裂失效，断裂发生于折弯的直角处，主裂纹为纵向的两条裂纹，相连处的横向为最后断裂区，并且在断口附近有纵向裂纹，相连处的横向为最后断裂区，并且在断口附近有纵向的二次裂纹多条，平行于主裂纹，的二次裂纹多条

21、，平行于主裂纹， 用扫描电镜对断口进行观用扫描电镜对断口进行观察，纵向主裂纹的断口断裂形貌为有一定脆性的准解理形貌，察，纵向主裂纹的断口断裂形貌为有一定脆性的准解理形貌，横向的最后断裂区为塑性较好的韧窝形貌。如图横向的最后断裂区为塑性较好的韧窝形貌。如图4 4、图、图5 5所示。所示。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源未断裂的管子组织为等轴状的铁素体组织；断裂件组织为呈带未断裂的管子组织为等轴状的铁素体组织；断裂件组织为呈带状分布的铁素体珠光体组织。状分布的铁素体珠光体组织。Institute o

22、f Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 从加工工艺来看，该零件的折弯变形较大，所以折弯的从加工工艺来看，该零件的折弯变形较大，所以折弯的过程首先是变形处管子被压扁，其次再弯曲，对于一号管子，过程首先是变形处管子被压扁，其次再弯曲，对于一号管子，即前一批使用的管子，材料为即前一批使用的管子，材料为1010钢，并且组织状态为良好的退钢，并且组织状态为良好的退火等轴晶状态，塑性和韧性非常良好，所以不会发生断裂，而火等轴晶状态，塑性和韧性非常良好，所以不会发生断裂，而断裂件管子材料为断裂件管子材料为2020钢，强度较好，塑性比钢，

23、强度较好，塑性比1010钢差，最主要的钢差，最主要的是该管子组织状态为呈带状分布的热轧态，方向较强，在压扁是该管子组织状态为呈带状分布的热轧态，方向较强，在压扁的时候必然沿带状的薄弱环节开裂，随后弯曲断裂。所以断裂的时候必然沿带状的薄弱环节开裂，随后弯曲断裂。所以断裂管子组织状态为管子组织状态为2020钢热轧态，带状组织严重，导致在成型时开钢热轧态，带状组织严重，导致在成型时开裂。裂。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：铸钢粗大树枝状结晶组织脆断案例：铸钢粗大树枝状结晶组织脆断 重型牵引车使用

24、过程中，传动轴凸缘叉断裂，断裂重型牵引车使用过程中，传动轴凸缘叉断裂，断裂发生于传动轴叉万向节孔下端，断口较粗糙，为木纹状发生于传动轴叉万向节孔下端，断口较粗糙，为木纹状断口，为铸锭的柱状晶形貌，如图断口，为铸锭的柱状晶形貌，如图2 2所示。断口光亮，较所示。断口光亮，较新鲜，断口表面没有发现缺陷，为铸造碳钢脆性断裂断新鲜，断口表面没有发现缺陷，为铸造碳钢脆性断裂断口。口。 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 断口分析和金相分析表明该传动轴叉的材料为断口分析和金相分析表明该传动轴叉的材料为ZG40

25、CrZG40Cr，不是技术，不是技术要求所规定的锻钢件。资料表明要求所规定的锻钢件。资料表明ZG40CrZG40Cr容易产生粗大的树枝状结晶，容易产生粗大的树枝状结晶，同时具有回火脆性。检验结果表明该传动轴叉断口为粗大的柱状晶同时具有回火脆性。检验结果表明该传动轴叉断口为粗大的柱状晶特征，并且存在着严重的夹杂物，组织粗大，所以强度很低，脆性特征，并且存在着严重的夹杂物，组织粗大，所以强度很低，脆性很大，导致在使用中发生断裂失效很大，导致在使用中发生断裂失效。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：

26、压铸铝合金冷豆、气孔缺陷引起断裂案例：压铸铝合金冷豆、气孔缺陷引起断裂 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 汽车三组合踏板在装调试车间调试中发现局部有明显裂汽车三组合踏板在装调试车间调试中发现局部有明显裂纹，做失效分析如下断裂发生于踏板座和其中一个踏板纹，做失效分析如下断裂发生于踏板座和其中一个踏板接触受力位置，如图接触受力位置，如图1 1、图、图2 2所示。将踏板拆卸后将裂纹所示。将踏板拆卸后将裂纹打开，发现断口为细瓷状断口，断口上有闪亮的金属小打开，发现断口为细瓷状断口，断口上有闪亮的金属小平

27、面，在裂源处断口上有多个冷豆和气孔缺陷，裂纹源平面，在裂源处断口上有多个冷豆和气孔缺陷，裂纹源由缺陷处萌生，如图由缺陷处萌生，如图3 3所示。组织：零件显微组织为磷变所示。组织：零件显微组织为磷变质良好组织，无质良好组织，无枝晶，共晶硅呈短片状，分布均匀，枝晶，共晶硅呈短片状，分布均匀，初晶硅为小块状，如图五所示。图四为冷豆处组织形貌，初晶硅为小块状，如图五所示。图四为冷豆处组织形貌，图中可以看出斜线为冷豆与基体的分界线，左边为基体图中可以看出斜线为冷豆与基体的分界线，左边为基体组织，右边为冷豆组织，冷豆组织为变质不足的组织形组织，右边为冷豆组织，冷豆组织为变质不足的组织形貌。貌。Instit

28、ute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源三三. .工艺因素引起的失效工艺因素引起的失效 工艺因素引起的机械零件失效是各类失效工艺因素引起的机械零件失效是各类失效原因中占比例较高的，它主要包括机械零件在原因中占比例较高的，它主要包括机械零件在生产过程中因各种生产过程中因各种冷加工冷加工、热加工热加工和和装配过程装配过程中产生的缺陷或工艺不合理而直接或间接导致中产生的缺陷或工艺不合理而直接或间接导致的失效。在各类加工缺陷中，最重要的是零件的失效。在各类加工缺陷中，最重要的是零件表面或内部的不连续性缺陷，其次是在加工过表

29、面或内部的不连续性缺陷，其次是在加工过程中产生的缺陷组织及其诱发的在服役过程中程中产生的缺陷组织及其诱发的在服役过程中产生的缺陷和损伤。产生的缺陷和损伤。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 在工艺引起的零件失效中，技术条件的不合在工艺引起的零件失效中，技术条件的不合理性占一定比例，对于具体的失效案例，要按照理性占一定比例，对于具体的失效案例，要按照具体的服役条件和失效形式，确定合理的失效抗具体的服役条件和失效形式，确定合理的失效抗力指标，提出不同的强度、塑性、韧性合理配合力指标，提出不同的强度、塑

30、性、韧性合理配合的思路，进行选材，制定加工工艺、进而对传统的思路，进行选材，制定加工工艺、进而对传统的工艺规程进行变革，从而达到充分发挥材料性的工艺规程进行变革，从而达到充分发挥材料性能潜力，提高产品质量，延长使用寿命的目的。能潜力，提高产品质量，延长使用寿命的目的。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源铸造工艺引起的缺陷与失效铸造工艺引起的缺陷与失效 缩孔、气孔降低材料的致密性，并且成为裂纹源缩孔、气孔降低材料的致密性，并且成为裂纹源 热裂纹、冷裂纹破坏零件表面或内部的连续性，裂纹顶端造成应力集中热

31、裂纹、冷裂纹破坏零件表面或内部的连续性，裂纹顶端造成应力集中 铸钢铸态组织，晶粒粗大，脆性很大，造成零件脆性断裂铸钢铸态组织，晶粒粗大，脆性很大，造成零件脆性断裂 球墨铸铁组织不良，球化率差，导致强度低断裂。球墨铸铁组织不良，球化率差，导致强度低断裂。 铸铁中的白口组织，磷共晶渗碳体等均会导致脆性断裂铸铁中的白口组织，磷共晶渗碳体等均会导致脆性断裂 铸铁的硫、磷元素含量高致脆失效铸铁的硫、磷元素含量高致脆失效 球墨铸铁硅含量高致脆等等都是由于工艺引起的失效球墨铸铁硅含量高致脆等等都是由于工艺引起的失效Institute of Metal Research, Chinese Academy of

32、 Sciences失效的来源失效的来源案例：案例： P P元素含量过高造成汽车制动鼓碎裂元素含量过高造成汽车制动鼓碎裂 重型汽车在调试检验过程中，制动毂发生断裂，断裂位置及宏观重型汽车在调试检验过程中，制动毂发生断裂，断裂位置及宏观断口形貌如图断口形貌如图1 1所示，可见制动毂在螺栓孔处沿周边断裂脱落，鼓体所示，可见制动毂在螺栓孔处沿周边断裂脱落，鼓体中间开裂。断口粗大，有金属闪亮的小平面，为粗大的解理断裂形式，中间开裂。断口粗大，有金属闪亮的小平面，为粗大的解理断裂形式，如图如图2 2所示，表明制动毂的脆性很大。所示，表明制动毂的脆性很大。Institute of Metal Researc

33、h, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源硬度：硬度：198 HBW10/3000拉伸试验：拉伸试验： 从制动鼓本体上制取从制动鼓本体上制取10mm10mm的拉伸试样两根，测抗拉强度如下：的拉伸试样两根，测抗拉强度如下： 1试样抗拉强度试样抗拉强度170N/mm170N/mm2 2试样抗拉强度试样抗拉强度199N/mm199N/mm2 试验的强度值低于试验的强度值低于HT250HT250所要求的所要求的250N/mm250N/mm2化学成分（）化学成分（）元素CSiPSMnCr SQBHT250 3.2/3.4 1.8/2.1 0.2 0.1 0.8/1.

34、0 / 零件实测值 3.32 1.85 0.63 0.046 0.86 0.32Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源金相组织：金相组织：石墨形态：石墨形态：A A形片状石墨均匀分布，石墨长度：石长形片状石墨均匀分布，石墨长度：石长3838；基体组织；基体组织：珠光体磷共晶少量的铁素体，珠光体量：珠：珠光体磷共晶少量的铁素体，珠光体量：珠8585；磷共晶量：；磷共晶量：磷磷1010，磷共晶形态为二元磷共晶，磷共晶形态为二元磷共晶，Institute of Metal Research, Chinese

35、 Academy of Sciences失效的来源失效的来源锻造工艺不当产生的缺陷锻造工艺不当产生的缺陷 过热、过烧、氧化开裂、锻比太小、大晶粒、晶粒不均匀、冷过热、过烧、氧化开裂、锻比太小、大晶粒、晶粒不均匀、冷硬现象、脱碳层堆积、十字裂纹、龟裂、飞边裂纹、分模面裂纹、硬现象、脱碳层堆积、十字裂纹、龟裂、飞边裂纹、分模面裂纹、孔边龟裂、裂纹、锻造折叠、穿流、锻件流线分布不当、带状组织、孔边龟裂、裂纹、锻造折叠、穿流、锻件流线分布不当、带状组织、剪切带、硫化物偏析级别、铸造组织残留、季裂等。剪切带、硫化物偏析级别、铸造组织残留、季裂等。 对于锻件，失效频率较高的失效原因主要有过热、过烧、折叠、

36、对于锻件，失效频率较高的失效原因主要有过热、过烧、折叠、显微组织（流线）分布不合理，以及氧化脱碳、锻比太小、铜裂和显微组织（流线）分布不合理，以及氧化脱碳、锻比太小、铜裂和开裂等，但是不良工艺产生的任何缺陷都会引起零件的失效。开裂等，但是不良工艺产生的任何缺陷都会引起零件的失效。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：锻造过热，粗大晶粒魏氏组织引起断裂失效案例：锻造过热，粗大晶粒魏氏组织引起断裂失效 汽车推力杆接头发生损坏。断裂于球座处，断裂位置及汽车推力杆接头发生损坏。断裂于球座处，断裂位置及断

37、口：如图断口：如图1 1和图和图2 2所示。断口粗大，断口上有明显的金属光所示。断口粗大，断口上有明显的金属光泽和闪亮的结晶面，表明晶粒粗大，为脆性断口特征泽和闪亮的结晶面，表明晶粒粗大，为脆性断口特征 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 该零件的显微组织为锻造过该零件的显微组织为锻造过热组织，晶粒异常粗大，并且没热组织，晶粒异常粗大，并且没有经过调质处理，硬度低，强度有经过调质处理，硬度低，强度极，大的网状组织使得材料的脆极，大的网状组织使得材料的脆性很大，很容易在使用中产生脆性很大，很容易在使

38、用中产生脆性断裂。性断裂。.组织：表面为羽毛状粗大的铁素体，其余为粗大网状铁素体珠光体组织：表面为羽毛状粗大的铁素体，其余为粗大网状铁素体珠光体 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源锻造折叠引起制造中开裂锻造折叠引起制造中开裂 送验样品如图送验样品如图1 1所示，管子裂开的长度约所示，管子裂开的长度约140mm 140mm ，将断口打开，可以，将断口打开，可以看到断口明显分成两层，分层面约在板厚的中心部位，如图看到断口明显分成两层，分层面约在板厚的中心部位，如图2 2所示。图中所示。图中可见断口的下

39、半部分为新断口，断口新鲜，有金属光泽，上半部分断口表可见断口的下半部分为新断口，断口新鲜，有金属光泽，上半部分断口表面有黑色的氧化皮存在，断面呈斜劈状，为旧断口。分析认为是管材成型面有黑色的氧化皮存在，断面呈斜劈状，为旧断口。分析认为是管材成型时折叠所致。时折叠所致。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 管子的金相组织为铁素体管子的金相组织为铁素体+ +珠光体组织，图珠光体组织，图3 3为没有断开的折叠为没有断开的折叠末端组织形貌，可以看出裂缝中间充满灰黑色的氧化物，同时可以末端组织形貌，可以看出裂

40、缝中间充满灰黑色的氧化物，同时可以看出裂缝的上端明显的带状组织形貌，方向沿裂纹扩展方向，而裂看出裂缝的上端明显的带状组织形貌，方向沿裂纹扩展方向，而裂纹的下部组织为等轴状形貌。纹的下部组织为等轴状形貌。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源热处理工艺引起的缺陷与失效热处理工艺引起的缺陷与失效机械零件常见的热处理缺陷有：机械零件常见的热处理缺陷有：过热。过烧、氧化、脱碳、过热。过烧、氧化、脱碳、热处理裂纹、硬度不足、热处理裂纹、硬度不足、硬度不均匀、剥落、等硬度不均匀、剥落、等Institute of

41、Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：螺栓六角头根部淬火裂纹导致使用断裂失效案例：螺栓六角头根部淬火裂纹导致使用断裂失效 该螺栓硬度、化学成分、金相组织均符合技术要求，断裂螺该螺栓硬度、化学成分、金相组织均符合技术要求，断裂螺栓是由于在淬火中形成淬火裂纹，并且裂纹较深，使得实际的承栓是由于在淬火中形成淬火裂纹，并且裂纹较深，使得实际的承载面积只有总面积的载面积只有总面积的1/21/2左右，所以在使用中发生断裂左右，所以在使用中发生断裂 Institute of Metal Research, Chinese Academ

42、y of Sciences失效的来源失效的来源案例：热处理过烧组织导致零件发生断裂失效案例：热处理过烧组织导致零件发生断裂失效 汽车用卡箍装配中出现断开，断裂发生于圆弧末端，断成两汽车用卡箍装配中出现断开，断裂发生于圆弧末端，断成两截，如图截，如图1 1所示。断口表面呈灰黑色，断口心部所示。断口表面呈灰黑色，断口心部10103mm3mm区域，晶区域，晶粒粗大，断口发渣，为组织过烧形貌特征，如图粒粗大，断口发渣，为组织过烧形貌特征，如图2 2所示。所示。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 金相样品分

43、析，在试件的中心部位，发现晶界裂开，晶界上为金相样品分析，在试件的中心部位，发现晶界裂开，晶界上为灰黑色的氧化产物，如图四所示。图三为晶界氧化浸蚀后的高倍形灰黑色的氧化产物，如图四所示。图三为晶界氧化浸蚀后的高倍形貌，分析认为是热加工过程中的过烧现象。分析结果：该卡箍由于貌，分析认为是热加工过程中的过烧现象。分析结果：该卡箍由于在热加工过程中产生过烧现象，导致晶界氧化、分离，所以强度很在热加工过程中产生过烧现象，导致晶界氧化、分离，所以强度很低，导致在使用中断裂。低，导致在使用中断裂。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Science

44、s失效的来源失效的来源焊接工艺过程中引起的失效焊接工艺过程中引起的失效 日本机械工程学会在日本机械工程学会在6060年代统计，当时技术水年代统计，当时技术水平事故原因中施工方面占平事故原因中施工方面占4242，设计方面占，设计方面占3232，材料方面占材料方面占2424。在事故中，疲劳破坏占。在事故中，疲劳破坏占6161，脆，脆性断裂占性断裂占1515，因焊接裂纹引起的事故占，因焊接裂纹引起的事故占1313，腐，腐蚀及磨损占蚀及磨损占3 3，其中疲劳破坏由于设计引起的占，其中疲劳破坏由于设计引起的占5454。Institute of Metal Research, Chinese Academ

45、y of Sciences失效的来源失效的来源焊接缺欠和焊接缺陷焊接缺欠和焊接缺陷缺欠：缺欠：焊件典型构造上出现的一种不连续性，诸如材料或焊件在力焊件典型构造上出现的一种不连续性，诸如材料或焊件在力学特征、冶金特性或物理特性上的不均匀性。缺欠不一定是缺陷。学特征、冶金特性或物理特性上的不均匀性。缺欠不一定是缺陷。缺陷：缺陷：一种或多种不连续性或缺欠，按其特性或累加效果，使得零一种或多种不连续性或缺欠，按其特性或累加效果，使得零件或产品不能符合所提出的最低合理要求，称之为缺陷。此术语标件或产品不能符合所提出的最低合理要求，称之为缺陷。此术语标志着判废。志着判废。 根据定义，缺陷是必须予以去除或修

46、补的，所以缺陷意味着不根据定义，缺陷是必须予以去除或修补的，所以缺陷意味着不合格。所以工程上开始使用缺欠来代替缺陷。合格。所以工程上开始使用缺欠来代替缺陷。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源1.1.构造缺欠：构造缺欠：构造不连续缺口效应、焊缝设计布置不良引起应力与变构造不连续缺口效应、焊缝设计布置不良引起应力与变 形、错边。形、错边。2.2.工艺缺欠：工艺缺欠：咬边、焊瘤、未熔合、未焊透、烧穿、未焊满、凹坑、夹咬边、焊瘤、未熔合、未焊透、烧穿、未焊满、凹坑、夹渣、电弧擦伤、成形不良、余高过大、焊脚

47、尺寸不合适等。渣、电弧擦伤、成形不良、余高过大、焊脚尺寸不合适等。3.3.冶金缺欠：冶金缺欠：裂纹、气孔、夹杂物、性能恶化等裂纹、气孔、夹杂物、性能恶化等焊接缺欠的分类焊接缺欠的分类Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 案例：案例：重型汽车在调试检验过程中，发现车辆行驶操作中换挡杆突然重型汽车在调试检验过程中，发现车辆行驶操作中换挡杆突然断裂，断裂位置见图断裂，断裂位置

48、见图1 1、2 2，断裂发生于换档杆手柄杆套管末端焊缝处。该，断裂发生于换档杆手柄杆套管末端焊缝处。该零件整体未见明显塑性变形，各处表面无挤压、刮擦等损伤。断口附近表零件整体未见明显塑性变形，各处表面无挤压、刮擦等损伤。断口附近表面漆层完整，未见异常。断口经汽油清洗后宏观形貌见图面漆层完整，未见异常。断口经汽油清洗后宏观形貌见图3 3，该断口形貌，该断口形貌较复杂，主要由四部分组成，即未焊合区、焊接缺陷区、先期断裂区及最较复杂，主要由四部分组成，即未焊合区、焊接缺陷区、先期断裂区及最终断裂区。环形断口圆周内侧基本未焊合，此区域断口基本保留了母材机终断裂区。环形断口圆周内侧基本未焊合，此区域断口

49、基本保留了母材机加工痕迹，其上分布有淡蓝及蓝紫色的氧化色。环形断口圆周外侧局部区加工痕迹，其上分布有淡蓝及蓝紫色的氧化色。环形断口圆周外侧局部区域断面具有新鲜的金属光泽，其上均布结晶亮点，此结晶状断口区域为最域断面具有新鲜的金属光泽，其上均布结晶亮点，此结晶状断口区域为最终断裂区。环形断口圆周外侧另一色泽较暗、上有放射状条纹的区域为先终断裂区。环形断口圆周外侧另一色泽较暗、上有放射状条纹的区域为先期断裂区，此先期断裂面裂纹应形成于焊接工艺过程中。断裂处的整个横期断裂区，此先期断裂面裂纹应形成于焊接工艺过程中。断裂处的整个横截面上，尚分布有大量肉眼可见的不规则的焊渣、气孔等缺陷，图中箭头截面上，

50、尚分布有大量肉眼可见的不规则的焊渣、气孔等缺陷，图中箭头所指为一较大的黑色夹渣。粗略估计，最终断裂区面积约占整个环形断面所指为一较大的黑色夹渣。粗略估计，最终断裂区面积约占整个环形断面的的1/51/61/51/6。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源案例：案例：汽车减震器在装配中发生了多起断裂事故，断裂均发汽车减震器在装配中发生了多起断裂事故，断裂均发生在两个部件焊接的焊缝部位。宏观检查断裂发生于小头，生在两个部件焊接的焊缝部位。宏观检查断裂发生于小头，螺栓根部焊接处，如图螺栓根部焊接处，如图1 1

51、所示所示 。图。图2 2为断口，可见整个断面为断口，可见整个断面上焊透部分很小，如图中的白亮处（图中所标上焊透部分很小，如图中的白亮处（图中所标1 1、2 2、3 3处），处），其余部分均未焊透，表明焊接质量较差，由于焊肉较少，所其余部分均未焊透，表明焊接质量较差，由于焊肉较少，所以承载面积小，强度较差，以致在使用中断裂以承载面积小，强度较差，以致在使用中断裂 Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源四四. .加工不当造成的失效加工不当造成的失效 有时失效是因为加工方法规定的不恰当，技术要求不全面，没有

52、有时失效是因为加工方法规定的不恰当，技术要求不全面，没有遵守规定的加工方法，以及操作者的失误或意外损伤而造成的。遵守规定的加工方法，以及操作者的失误或意外损伤而造成的。冷成形冷成形如深拉伸、延伸、扩展、辗薄和弯曲都会产生高的残余应力，如深拉伸、延伸、扩展、辗薄和弯曲都会产生高的残余应力，产生微裂纹和宏观裂纹，或局部塑性降低，或应力集中源。产生微裂纹和宏观裂纹，或局部塑性降低，或应力集中源。机加工或研磨机加工或研磨会形成残余应力和表面粗躁，或磨削裂纹导致失效会形成残余应力和表面粗躁，或磨削裂纹导致失效Institute of Metal Research, Chinese Academy of

53、Sciences失效的来源失效的来源识别和标记：识别和标记：用打印法和点腐蚀法制作识别标记，如果在零件的用打印法和点腐蚀法制作识别标记，如果在零件的高应力区，会成为失效的潜在根源。高应力区，会成为失效的潜在根源。电火花电火花加工会产生融化或热影响区，在工作中会形成裂纹，导致加工会产生融化或热影响区，在工作中会形成裂纹，导致失效。失效。热处理热处理引起的脱碳往往是表面疲劳源产生的直接原因。引起的脱碳往往是表面疲劳源产生的直接原因。酸浸和电镀酸浸和电镀容易引起吸氢，导致随后的氢脆断裂。容易引起吸氢，导致随后的氢脆断裂。Institute of Metal Research, Chinese Aca

54、demy of Sciences失效的来源失效的来源案例：机加工根部圆角太小导致应力集中失效案例：机加工根部圆角太小导致应力集中失效 对断裂实物外观检查发现螺栓头部和杆部结合处圆角很小，对断裂实物外观检查发现螺栓头部和杆部结合处圆角很小，从断裂件上无法测量根部圆角的实际尺寸，对没有装车的该厂家从断裂件上无法测量根部圆角的实际尺寸，对没有装车的该厂家的轮胎螺栓抽检一件，对其根部圆角测量，检测结果为的轮胎螺栓抽检一件，对其根部圆角测量，检测结果为r 0.3mm r 0.3mm ，而轮胎螺栓的图纸要求该处的圆角尺寸为而轮胎螺栓的图纸要求该处的圆角尺寸为r 0.8r 0.80.4mm 0.4mm ，所

55、以该，所以该批轮胎螺栓根部的批轮胎螺栓根部的r r值很小，不符合图纸技术要求，在使用中会存值很小，不符合图纸技术要求，在使用中会存在应力集中。在应力集中。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源 汽车试验过程中，发现转向助力泵齿轮出现纵向贯通裂纹。该失汽车试验过程中，发现转向助力泵齿轮出现纵向贯通裂纹。该失效齿轮与轴采用单键配合。齿轮上的裂纹沿零件轴向贯穿齿轮，且走效齿轮与轴采用单键配合。齿轮上的裂纹沿零件轴向贯穿齿轮，且走向较平直，在齿轮两端面上清晰可见裂纹止于内孔键槽槽底一侧角部，向较平直，在齿轮两

56、端面上清晰可见裂纹止于内孔键槽槽底一侧角部，此裂纹打开后的断面宏观形貌断口平齐、新鲜，边缘无剪切唇。心部此裂纹打开后的断面宏观形貌断口平齐、新鲜，边缘无剪切唇。心部断口为典型的木纹状断口，断口边缘除键槽一侧外均为细瓷状断口。断口为典型的木纹状断口，断口边缘除键槽一侧外均为细瓷状断口。键槽加工面上则规则分布纵向、平行的加工痕迹。键槽加工面上则规则分布纵向、平行的加工痕迹。案例：线切割加工导致表面奥氏体化淬火，形成裂纹。案例：线切割加工导致表面奥氏体化淬火，形成裂纹。Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences失效的来源失效的来源

57、 在齿轮内孔键槽槽底角部横截面上进行微观检查，该键槽底角在齿轮内孔键槽槽底角部横截面上进行微观检查，该键槽底角部过渡圆角较小，附近表面较光滑，有一层深约部过渡圆角较小，附近表面较光滑，有一层深约0.010.010.02mm0.02mm的白的白亮层而无渗碳层，键槽底角部及其表面白亮层微观形貌见图片亮层而无渗碳层，键槽底角部及其表面白亮层微观形貌见图片8 8、9 9。经分析，该白亮层系电火花加工层，为淬火组织经分析，该白亮层系电火花加工层，为淬火组织Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences 该转向助力泵齿轮选用该转向助力泵齿轮

58、选用20CrMnTi20CrMnTi材料；材料中非金属塑性夹材料；材料中非金属塑性夹杂含量偏高，木纹状断口正是非金属塑性夹杂含量偏高、带状组杂含量偏高，木纹状断口正是非金属塑性夹杂含量偏高、带状组织较严重材料的典型断口；齿轮经过了表面渗碳（或碳氮共渗）织较严重材料的典型断口；齿轮经过了表面渗碳（或碳氮共渗）处理且热处理质量正常；内孔键槽系热处理后线切割加工成型，处理且热处理质量正常；内孔键槽系热处理后线切割加工成型，线切割造成的电火花加工层未经打磨去除或回火处理。电火花加线切割造成的电火花加工层未经打磨去除或回火处理。电火花加工层实为线切割面上的局部金属瞬间熔化再凝固过程中形成的硬工层实为线切

59、割面上的局部金属瞬间熔化再凝固过程中形成的硬脆的淬火组织，同时键槽角部过于尖锐易造成局部应力集中区域，脆的淬火组织，同时键槽角部过于尖锐易造成局部应力集中区域，故齿轮在服役期间传递扭矩时，易于内孔键槽槽底角部表面萌生故齿轮在服役期间传递扭矩时，易于内孔键槽槽底角部表面萌生裂纹。此外，材料基体中的非金属塑性夹杂由于降低其横向机械裂纹。此外，材料基体中的非金属塑性夹杂由于降低其横向机械性能而加剧了该齿轮的失效。性能而加剧了该齿轮的失效。失效的来源失效的来源Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences五五. .装配中失误造成的失效装

60、配中失误造成的失效 装配不当也会形成失效，这类失效是生产者和使用者不会在检装配不当也会形成失效，这类失效是生产者和使用者不会在检验中发现的，而且装配好的产品，初次工作时也不会明显的妨碍其验中发现的，而且装配好的产品，初次工作时也不会明显的妨碍其正常的运转。正常的运转。 这类缺点有时与不准确的，不全面的装配说明书或装配工艺有这类缺点有时与不准确的，不全面的装配说明书或装配工艺有关，但经常也有操作人错误或疏忽大意造成。关，但经常也有操作人错误或疏忽大意造成。失效的来源失效的来源Institute of Metal Research, Chinese Academy of Sciences案例：装配