失效分析的程序和步骤

1、-PAGE . z.失 效 分 析 概 要失效分析培训班用 2007年11月前 言省机械研究所于2007年12月举办一个三天半的失效分析培训班，本教材即为该培训班而准备的，本教材由东南大学材料科学与工程学院孔宪中编写，局部文字容参考金属所的金属断裂失效分析一书。我们知道，进展失效分析，是1，找出事故原因，分清责任所属，依法进展索赔，挽回经济损失。2，找出经历教训，防止同类事故，改良制造水平，定立新的工艺。3，提供有关资料，促进法治建立，减少资金浪费，加快建立速度。4，产生新型学科，提升科技水平，增强国家实力，节约资源本钱这四方面所必需的，这次失效分析培训班主要介绍如何进展失效分析，大致容有失效

2、分析的几种分析思路：按：根据失效分类的分析思路根据设备或部件工作状况的分析思路根据制造工艺和部件类别的分析思路失效分析的分析程序1，现场调查2，观察，检测和检验3，分析及验证，作分析结论，4，提出报告，建议，及回访失效分析程序的实施设计分析程序和实施步骤失效部件的直观检验过程断裂源确实定断裂机制确实定，取样及编号检测和检验信息的纵综合，归纳，分析，得出初步结论结论的验证，写出报告，提出建议，4，常用的失效分析技术1金属的显微断口分析2金属及部件的疲劳失效分析3腐蚀疲劳失效分析及应力腐蚀失效分析4氢脆失效分析5高温失效分析6焊接失效分析5常见部件的失效分析案例1轮类用齿轮，叶轮，螺杆，轮箍各选一

3、例2轴类用曲轴，摇杆轴，前轴，连杆各选一例3管道类用管道，导管方面选二例4根底件类用轴承，弹簧，模具方面选三例通过培训班学习，使参加者获得一定的失效分析素养，能具备一定的失效分析能力，有一定程度的失效分析技术，接触一定数量的失效分析案例，便于开展失效分析工作。一失效的定义凡机械设备或装置零件，只要不再能满足设计规定的功能者，统称失效。一般有三种情况：即1，产生损害，不能继续使用。2，具备产生损害的危险，不能继续使用。3，产生损伤，不能继续按要求使用。凡产生这三种情况之一，即称为产生失效，每种各举1例如：设备不能正常运转；或者虽然能运转但达不到设计规定的功能；或者因受损伤不能平安可靠地继续服役，

4、需要立即更换零件或修理。二，失效分析的目的和重要性找出事故原因，分清责任所属，依法进展索赔，挽回经济损失。特别是有关进口商品。举例找出经历教训，防止同类事故，改良制造水平，定立新的工艺。举市石油液化气贮罐爆裂之例提供有关资料，促进法治建立，减少资金浪费，加快建立速度。举零部件失效为例产生新型学科，提升科技水平，增强国家实力，节约资源本钱，举疲劳及氢脆为例失效分析的主要目的是要找出引起失效的原因，经过采取有效措施，使同样失效不致再次发生。因为灾难性的失效不仅经济损失很大，而且还造成严重的人身伤亡。世界上工业兴旺的国家，每年由于失效(断裂，腐蚀和磨损)造成的济济损失占国民经济总收入一个很大的比重。

5、以美国为例：1982年断裂造成的损失达1190亿美元，可以防止的占53%(631亿)，通过失效分析研究后可防止的占47%(559亿)。这还没有包括间接的济济损失和人身伤亡的统计。失效分析的重要性，概括地说表现在以下十个方面：1.防止事故重演，挽回巨额的济济损失；2.可以引出大量的经历和教训，为改良设计制造工艺和使用法规提供科学依据；3.对进口设备的失效分析，可为向外商索赔提供可靠证据或技术仲裁；4.促进吃透先进技术和提高技术引进的质量和效率；5.失效分析结果是修订或制订现行技术规、规程、标准和法规的重要依据；6.维修工以失效分析为根底能收到良好的效果；7.失效分析结论和技术知识常常是制订各种济

6、济法(如产品质量法、平安法、责任法等)的必要资料；8.失效分析的统计资料是制订科技开发规划和济济开展规划的重要依据之一：9.可为各级技术指挥员正确处理现场技术问题提供决断性的科学依据。10.失效分析结果可分为公安侦破提供重要线索。在生产厂中进展质量分析(或废品分析)可收到以下五点好处：1.缩短研制新品的周期；2.使老产品的质量得到迅速地改良；3.有利分清责任、加强责任制，保护用户的济济利益；4.有利于开展材料代用和材料的合理使用；5.为制订合理的工艺要求、金相标准等提供依据。国际上失效分析开展的情况：德国：是开展失效分析最好的国家，有一百多年失效分析的历史记载，有完整的失效分析体系及制度和设备

7、，其产品性能得益也最大。其后是美国，日本，等等。介绍各国大致情况。我国失效分析开展的情况由于我国工业开展历史短，失效分析刚起步，目前进入机器设备失效的顶峰期，失效分析任重道远三失效分析的容失效分析的容很多，只针对失效的直接原因进展分析的，即所谓狭义的失效分析，如果把管理的因素也包括在，即为广义的失效分析。狭义的失效分析按失效现象出现的前或后进展的分析。又划分为三种：事前分析、事中分析和事后分析。我们常说的失效分析多指事后的失效分析。失效学是一学科，是以许多学科和技术作为它的根底建立起来的一门新的多边缘学科，通过它的分析结果，又为其它学科或技术提供新的反响资料来促进它们的开展，失效学和许多学科和

8、技术之间提供营养或依据，而且互为提供营养或依据，如断口学是失效分析的重要支柱和根底，而失效分析中的*些结果又能丰富断口学的容，并推动其开展。如氢脆和应力腐蚀的区分，动态应力腐蚀和腐蚀疲劳的区分，都是通过实际事例的分析来促进其开展。又如机械设计的知识，能促进分析的效率和水平，而失效分析结果是属设计问题的，屡次反响能提高设计师的可靠性设计水平。其它的也是如此。四、失效分析的思想方法所谓失效分析的思路，就是对具体失效问题要有一个比拟深刻 周到的思考方法。要求它所确定的程序和步骤，既严密又不繁锁，既高效率又无遗漏保证分析出发点正确，不导致错误结论。因此，在思想方法上要求遵守并能正确运用正确的思想方法，

9、1。五个根本原则(1) 整体观念原则 失效分析工作者在分析失效问题时，始终都要树立结实的整体观念。因为一套设备在运转中*个部件失效引起停车，它有这样一些联系：它与邻近别的部件有关，它和周围环境的条件或状态有关，它和操作人员的使用情况有关。因此，一旦失效就要把设备环境人当作一个系统来考虑。尽可能分析设备能出哪些问题，环境能造成哪些问题，人为因素能导致哪些问题，然后根据调查资料检验结果，采取消去法，把不成为问题的问题逐个审查消去，剩余问题再细微分析研究。如果孤立地对待失效部件，或局限于*一环境，往往对问题得不到解决。例如，*工厂生产的继电器，春天存放进仓库到秋天就发现大批继电器的弹簧片发生沿晶界断

10、裂，经失效分析定是氨引起的应力腐蚀开裂，但仓库里从来没有存放过能释放氨气的化学物质，因此，分析结论中的腐蚀介质还得不到证实。问题出在什么地方呢？就出在把系统局限于仓库这个小环境。后来查明，在仓库大门南面附近的田野里有一个大鸡粪堆，是鸡粪放出的氨气经春、夏的南风送进仓库，提供了应力腐蚀必要的介质，引起了损坏。如果不和更广的环境联起来，就得不出可靠的结论来。2从现象到本质的原则现象只是分析问题入门的响导，要找到产生现象的原因，即失效的本质问题，才能解决失效问题。例如一个断裂件，承受交变载荷，在断口上有清晰的贝壳把戏，很容易得出疲劳断裂的结论。但是，这仅仅是一个现象的论断，而不是失效本质的结论。因为

11、只要再提一问题：应如何改善？就答复不上了。因为这没有抓住这一失效的本质。导致疲劳失效的原因很多，常见的不下于40个。因此在失效分析中不满足于找到断裂或失效机制，更重要的找到原因的证实材料。才有助于解决问题。3.动态原则这里是指设备或部件对周围的环境或条件或位置，总在那里作相对运动，部件在服役中是如此，就是存放在仓库里也如此。例如，一个部件的受力条件，环境的温度，湿度和介质这些外部条件的变化，以及部件本身的*些元素或氢有无随时间偏聚的在变化，基至操作人员的变动，都应包括在这一原则中。上述继电器例子就是由于环境介质的变化。4一分为二原则这个认识论的原则用于失效分析，常指对进口设备不要盲目以为没有缺

12、点，而大量的事实说明，我国引进的设备不少失效原因是属于设计、用材、造制工艺或漏检。找出原因取得索赔，并把这些结果反响给有关设计部门，又可提高我们的设计水平和制造水平。5纵横交汇原则 既然客观事物总是在不同的时、空围变化，则同一设备在不同的服役阶段、不同环境，就具不同性质或待点。所有机电设备的失效都服从浴盆曲线即在服役初期和后期最易出现失效，但在中期失效率相对地低得多。这是从设备本身来看的待点。另外，同一温度、介质或外界强迫振动，在服役不同阶段的介入所起的作用也是不同的。2。五种具体方法1系统方法系统方法又称相关性方法，就是把失效类型、失效模式、断口形貌待征、服役条件、材质情况、制造工艺水平和过

13、程，使用和维护情况等放在一个研究系统中，是从总体上加以考虑的方法，看失效原因是否与设计、材质、制造、使用、维护等有关，并据此深入测试分析包括模拟或失效重现试验，寻找具体失效原因，本方法的前提和出发点整体性原则，根本特点是：从一般到个别，从普遍到待殊，从单项分析到综合联系和一致上找原因，这就是要求尽可能地搜集与全局性有关的资料和测试信息，从而确定分析系统的围，围太大就浪费时间、精力和费用；如围太小，问题提得不全，又会使分析带有片面性。2抓主要矛盾方法就是抓失效中起主要作用的因素，如断裂失效中的断裂源和断裂机理及其导致因素。3比拟方法选择一个没有失效的而且整个系统能与失效统一一比照的系统，然后与失

14、效系进展比拟，从中找出差异，这样来找引起失效的原因。4历史方法历史方法的客观依据，是物质世界的运动变化和因果制约性。就是根据同样设备同样服役条件在过去表现的情况和变化规律，来推断现在失效的可能原因。这主要依赖过去失效资料的积累，运用归纳法和演绎法。5逻辑方法就是根据背景资料设计、材料和制造的情况和失效现场调查材料以及分析、测试获得的信息，进展分析、比拟、综合、归纳、和概括，作出判断和推论，得出可能的失效原因。以上这些原则和方法掌握程度和运用水平，决定着失效分析的速度和结论正确的程度，掌握这些原则和方法，可以防止失效分析人员在认识上主观片面性，技术运用上的局限性。在判断上实事，不搞无事实根据的推

15、论，保证分析结论正确无误。五，常用的几种失效分析思路1。根据失效分类的分析思路根据失效型的分类，把它们当作数学集合中不同集合，不同子集中元素。然后个消去不包含它的集合子集，即逐步缩小包围，找出属于*种失效的机理，再进一步找引起失效的原因。2。根据设备或部件工作状况的分析思路首先考虑是系统失效还是部件失效，前者要逐个装置清查找出失效源，进而找出断裂源；后者找断裂源。随后从受力状态，环境介质、温度等去考虑失效源。譬如受力是单轴静载还是受冲击或交变应力的动载；是拉伸，扭转，剪切，还是弯曲；是大气介质还是腐蚀介质；是常温环境还是高温或低温环境。例如是静载腐蚀介质沿晶断裂不锈钢除外多半是应力腐蚀开裂；如

16、果受交变应力的动载，多数为疲劳致断，有腐蚀介质多为腐蚀疲劳；处于高温环境多为高温疲劳。再根据背景资料和现场调查就可确定着重抓那些分析工程，要注意多因素的影响。3。根据制造工艺和部件类别的分析思路不同工艺生产的部件，如行铸造、锻造、焊接、热处理或最终研磨，一旦发生早期失效，首先考虑这些制造工艺致断的作用，根据失效统计有一半以上是由于制造工艺不当引起的。如失效件是从焊缝热影响区裂开或断开，而且工作应力又没有超过计应力，又无腐蚀条件，则就从焊接工艺条件找原因。其它工艺都有各自的工艺缺陷，如铸造的气孔、疏松、夹渣等，锻造的折叠、裂等，热处理的裂纹、剩余应力等。不同部件由于受力情况不同，都有各自的失效模

17、式。譬如，齿轮失效主要表现为断齿和齿面损伤。而断齿主要由于疲劳、撞击或异物落入齿轮副引起；齿面损伤主要表现为点蚀齿面剥落、磨损或胶合。轴类的失效，主要表现为疲劳断；如果断口没有贝壳把戏的脆断，除原有裂纹外，可能是回火脆或迟后断裂氢脆。锅炉的失效，主要表现为爆炸和爆管事故，其原因又多属于操作问题，其次是设计、制造问题，再次是腐蚀问题。根据这些断裂或损伤形式，再进一步根据实验室的分析找出原因。4系统工程的分析思路上一节所讲的分析思路是从现象找原因，是一种顺藤技摸根式的相关性思路，这对不太复杂和设备系统是常常采用的。对稍有失效分析经历的工作者来说，上述思路已成为他一种不自觉地习惯工作法。但是，对于像

18、化工厂、原子能发电站这样庞大、复杂系统的失效分析，如果不采用失效系统工程的分析思路和方法，还仅限于相关性思路，是根本无法进展的。在未具体介绍这方面的方法之前，先解释一下什么是系统工程。系统工程是一门综合性的管理工程技术，综合地运用多种现代科学技术，如数学、控制论、信息论、计算机技术，并与各领域的具体技术结合起来，从而应用于各个领域。用于工业体系的叫工程系统工程，用于企业体系的叫经济系统工程，用于科学研究体系的叫科学研究系统工程，以此类推，还有行政系统工程，军事系统工程，后勤系统工程，保证质量系统工程失效系统工程等。失效的系统越复杂就越有必要采用失效系统工程的方法，其可能产生的社会、经济效益也就

19、越大。常用的有1故障树分析法，2特征-因素图分析法，3事件时序树分析法等等六 失效分析的程序和步骤上一局部阐述了对一桩失效，分析工作应当采取什么样的思考线索，才能使分析工作顺利并获得正确的分析结果。这里主要介绍失效分析过程的具体做法和实施步骤。A分析程序的意义，容和步骤.设计分析程序的重要意义一个比拟有经历的失效分析工作者，对于一个简单部件的失效分析工作，而且失效因素也比拟简单，只有在这种情况下，他才不需要设计分析程序，可以一步一步地进展分析。因为这些简单的分析程序和步骤早已成为他的工作习惯。但是，对于一个大而复杂的系统的失效(如尿素合成装置、乙烯裂化炉或飞机失事等)，如不在分析前设计一个分析

20、程序和实施步骤就去进展分析，往往会出现指挥忙乱，工作不能协调窝工，分析工作进展缓慢，漏取数据，走弯路，甚至把步骤弄颠倒，把应取得的信息被另一提前步骤给毁掉了。例如，损坏部件断口上的污染物，还没有经过电子探针或能谱或*一射线衍射分析，定出成分或构造，就被清洗样品给去掉了，像这样就无法挽回。又如，对失效背景资料的搜集，在进展分析之前就拟定一个调查提纲，列出必须搜集的材料工程，以及失效现场应了解哪些信息，否则就会由于遗漏调查工程屡次到现场了解情况。这多半是没有设计分析程序和实施步骤的结果。对于重大的失效事故分析，设计一个分析程序和实施步骤，不仅是为了防止忙乱少走弯路、消除漏取数据和窝工，更主要的它是

21、失效分析周密、结论正确的保证，是重大失效分析不可少的工序。失效分析程序的容和步骤这里介绍的程序和步骤是一般通用的。因此，容包括的方面对*一机械部件来说，似乎有些繁琐，而对另一装置来说，*些工程又嫌过于简单。所有这些情况，我们就按先一般后个别的原则来处理，在必要的地方加以补充。读者根据具体分析的对象，可以对下述的程序和步骤作必要的简化或增添。步骤的顺序也可以个别前后颠倒。既要遵守程序、步骤的规化，又要根据分析对象的需要作*些增减。不过，一般需要遵守下述分析程序。失效分析的程序和步骤提纲一.调查1.现场调查：(1)发生的时间和地点，失效经过(时间顺序)(2)残骸碎片与主体相对位置的分布，绘草图或照

22、相。(3)部件的畸变和损伤情况，绘草图或照相。(4)目击者证词，询问工厂有关人员或其他能提供有用信息的人员。(5)为实验室工作考虑选取试样的部位和方法。2.收集失效部件的背景资料：(1)监视设备的记录和运转日记。(2)主系统和要害部件的服役历史：设备记录，运转条件；维护和调整情况，有无修理情况。(3)经销单位出售记录或报告，用户反映。3.工程设计的背景资料：(1)系统的说明书；(2)系统或部件的功能；(3)装配程序说明书；(4)维护程序；(5)设计说明书；(6)设计图(兰图)；(7)制造程序和质量控制程序与水平；(8)工程设计的分析和报告。(9)质量检验报告；(10)有关规和标准。4.操作者的

23、因素人与机器的互作用，等等。5.人的效能身体疲劳，情绪等等。二.观察1.失效系统或部件的直观检验；2.折卸并提供记录文件；3.针对设计图纸校对尺寸；4.用放大镜检查；5.全部试样(金相和力学的)选定、切取、标号、保存和清洗；6.断口的宏观和微观观察(多用扫描电镜)；7.断口附近及非损坏区的金相组织比照观察。三.探测1.无损探伤检验；2.化学成分分析：(1)常规：湿法，光谱分析；(2)局部或微区：辉光光谱，能谱，电子探针(3)外表或界面：俄歇能谱。3.*-射线衍射分析。四.测试1.机械性能测试(包括硬度测量)；2.断裂韧性测试；3.应力强度寿命分析；4.可检测性分析质量控制。五.模拟试验1.失效

24、的概率分析；2.失效机理确实定；3.模拟服役条件下的试验。六.做分析结论1.对所取得的信息、数据做分析、评价：(1)考虑信息、数据的可靠性；(2)提出的失效原因应与事实一致，应与工程的物理原理一致；(3)假定的描述要证明是正确的；(4)工程模型的描述要证明是正确的；(5)解释判断的根据是什么？2.结论的根据要充分可靠。3.写出有建议的报告 (1)现实性考虑费用和可行性；(2)解释并证明建议正确。七.反响与回访1.把分析结果反响给设计、制造、使用等有关单位和管理部门2.回访失事单位，假设建议未实施应促进建议的贯彻执行。这里应当指出，凡有断口分析的工作，只有当断口观察已有结论时才能做断口附近的组织

25、金相观察。与此无关的不损坏断口的试验都可以提前或同时进展。B分析程序和步骤的实施事故一旦发生后，应立即通报有关单位，防止事故继续扩大并保护现场，防止销毁证据，不得触摸失效部件的断裂外表。在没有提出正式文件(报告书、记述清单，照片等)之前，不得变动原始现场情况和各种物件的位置。尽快组成调查组，以最短时间赶赴现场，百闻不如一见目睹第一手资料。带好失效现场分析所需的简单工具，如照相机、放大镜、绘画纸、卷尺、塑料袋(装样品用)和电镜复型用的醋酸纤维素纸(俗称AC纸)。国外已有手提式失效分析工具箱，和失效分析专用实验室汽车队，可以承当就地进展失效分析任务，对一般的失效问题能就地解决。七，局部程序和步骤的

26、介绍。1.失效部件的直观检验直观检验主要靠眼睛观察，因为肉眼有特别大的景深，又能迅速检验很大面积，对颜色、腐蚀、断裂纹理的走向和改变都有十分敏锐的分辨本领。对判定断裂的萌生位置、裂纹扩展途径和裂纹前缘的轮廓，对指示裂纹扩展方向的人字形把戏，结晶状断口或纤维断口，二次裂纹以及有无过载产生的切变边等等，都能迅速而准确地识别出来。对部件运转的情况，对原有设计和加工质量等也能做出总的评价。对上述所有重要特点(包括尺寸大小)都应一一记录下来，用文字用图画或照相都可以，以能准确详细记述实际失效情况为准。为了表示颜色还必须用彩色照相。直观检验是以后进展各项失效分析的根底，是整个失效分析成功与否的分水岭。因此

27、，十分重要，必须仔细检验。(1)直观检验的操作顺序肉眼先观察整套装置或整个部件，周围环境和失效装置各部件间的作用。要全面了解，对失效部件应有一整体概念。根据宏观观点确定失效件的失效属性，韧性，脆性，疲劳，磨损或腐蚀。下面我们看几照片：从这四照片，我们很快即可看出它们的各自断裂情况不一样，有各自不同的材质，工况，断裂原因和断裂方式。通过追测断口断裂纹理(如放射形会聚点，半月形半径中心区，人字形把戏小尖头)来确定断裂源。从这照片，其断裂源。裂纹扩展方式，最后的断裂都可找到。根据断裂特征确定加载方式(拉、压、弯、扭等)，应力级别的相对大、小，以及应力指向。断裂方式(穿晶、沿晶或混合)，环境影响，断裂

28、机理用电子断口分析，从而评价材料在这种环境和应力条件下的性能。断裂特征还显示其它细节，如外表硬化、晶粒尺寸和部缺陷。由于设计不当造成的应力集中处的外貌，材料缺陷，制造、加工缺陷，或装配缺陷，所有这些缺陷都能提供查明失效原因的证据，都应当在直观检验时仔细检查。如下面照片所展示的，这五照片都可以看出其断裂特征及区别。(2)断裂源的几种识别法碎块拼凑法 将碎块依次序拼合起来(注意别碰伤、磨伤断口)，密合程序好的是后断的，而密合程序差的却是先断开的。T字形法 如两条裂纹相交成近90，水平的先开开明，垂直的后开裂。因为后者被前者停顿。多枝形法 对分叉裂纹不分叉的比分叉的在先。别把它当成断口上的河流把戏来

29、判断，两者指向相反。人字形法 钢板两边不开槽，人字小头指向断裂源，两边开槽的钢板，人字大头指向断裂源。这五照片，是比拟典型的几种指向断裂源的人字把戏最小应变法 断裂开后，截面积越来越小，过载越来越大，宏观变形就先小后大。因此，靠近断裂源的几乎不变形。放射标记法 断口上如有放射标记，则会聚区就是断裂源处。无切口的园钢多在中心，有切口的园钢多在外沿缺口，板材多在外表或皮下，方形或矩形型钢多在四角。贝壳把戏法 多在弧形半径中心(表层或皮下)。切变边法 不是完全脆性断裂，就有断裂切变边，表现为外外表有挂手的毛边，它的对面即为断裂源。如果板状断口，有时有锯齿，锯齿的斜面就指向断裂源。(3)其它宏观检验的

30、容低倍酸蚀检验可得七种信息：a.部质量(偏析、疏松、夹杂、气孔等)；b.外表缺陷(夹砂、斑疤、折叠等)；c.裂纹(白点、氢腐蚀、过烧等)；d.钢材软硬部位的区分；e.硬部位贯穿的深度；f.流线的走向和断续情况；g.焊接质量和研磨烧伤，等等。特殊钝痕技术(硫钝、磷钝、铅钝和氧化物钝等)显示元素在试样中的分布。失效件的应力集中审查，与缺口、划痕、钢钝痕等是否有关。磨损，腐蚀和振蚀的审查。2，取样及标号分析过程中所需要的全部试样，在现场调查时就应该有所方案，一旦分析程序确定后，应把取样的部位和数量确定下来。对大部件取样多用火焰切割，为此要考虑四个问题。火焰经过的地方和热影响区，如果需要表层和部的质量

31、(缺陷)数据，应在切割之前用无损检验方法检查；切口和热影响区要离开断口一定距离，以便保持断口组织不改变不氧化；切割前要做宏观照相记录，以便保存原来的图像和切取部位；防止熔滴飞溅到断口上，用东西覆盖遮挡。取样一定要有代表性，并记录取样部位。断口的力学性能和金相的试样，必须在断裂源附近取样，而比照试样一定要在远离断口不受什么影响的部位取。如分析锅炉管中部开裂的原因时，不仅要在向火开裂的一面取样，而且还在背火并与开裂对称的一面和远离开裂部位背火一面取样(当作原始组织对待)。这样的比照就能通过金相组织检验来确定是材料局部缺陷(碳化物成片状)，还是过热(碳化物球化)，或两者都有问题。断口要做适当地选择、

32、标号、清洗和保存。选择是为抓住重点观察不浪费时间；标号是防止弄混断口部位。一般事故断口，常常有污染或氧化。只有在这种条件下才清洗断口。3，二次裂纹的利用当主断口受损伤或被腐蚀以至把引起断裂原因的大局部信息都给弄模糊时，就只好翻开从主裂纹分叉出来的二次裂纹进展断口分析。这些裂纹有可能提供比主断口还多的信息，因为这里闭合紧，氧化、腐蚀程度轻，并能保存腐蚀产物。对于分析疲劳或应力腐蚀的失效，裂纹深度和宽度需要取数据，故在翻开裂纹之前要测量裂纹的宽度和长度。在一般情况下，应力腐蚀开裂的裂纹长度比开口宽度大几个数量级，这是重要数据之一。4，电子断口相检验由于光学显微镜分辨率和景深小的限制，已不适合作一般

33、断口的高倍观察。现都采用扫描电镜。电子断口分析除了能做定性方面的工作外，如断裂方式，断裂机理，还能作断裂方面的定量工作，如韧性程度的判别，裂纹扩展的速度，以及断裂历的定量描述。因此，透射与扫描电镜已是研究断裂机理的主要工具。电子断口相能显示三维形貌，因此它展示钢中的夹杂就比金相显微镜更富立体感，夹杂与基体构成界面的情况也能有所了解。钢或合金中的析出相(如碳化物)的分布，也能清楚地显示出来。如下面照片所展示的，4340Ni-Cr-Mo钢管，从飞机起落架活塞组件的套座中断裂，在钢管的下部边缘，是起始裂纹a的外表，被黑色的高温氧化物覆盖，这种氧化物显然是焊接后在热处理过程中形成的，b为疲劳裂纹増长区

34、，断口的其余局部为c，是最后快速断裂区，前者是氧化区，晶连续裂，是高温发生开裂而来的，高温下晶间为弱区在b区和a区过渡区之间拍的，注意未看到疲劳条带，或者其被碎片盖住。在c区拍的，穿晶断裂，一局部是由于显微空穴聚集，另一局部是由于准解理所致又如塑性材料的显微断裂特征塑坑，也可以通过它看出断裂时受力的方向和材料的强度以及材质的均匀性。如果是没有方向性的等轴塑坑，断裂受单轴拉伸，应力方向垂直于断口；如果是鱼鳞状的拉长塑坑，不是撕开就切变断裂，前者是两个相配断口面的塑坑方向一样，后者是塑坑方向相反。塑坑坑底的方向是开裂的方向，也是断口面哪一边施力的方向。关于金相检验、无损探伤、化学成分分析、*-射线

35、衍射分析，机械性能测试和断裂韧性测量及分析，这些步骤所需的知识和技术同志们大局部都已具备，而且都有专门书籍介绍，故本文从略。5.十三种失效机理识别提要在前面介绍的失效机理分类中，已经列出机械产品的几乎所有失效类型。现择其中常见十三种的简介如下：(1)过量变形：凡尺寸超限(胀大或收缩)或形状畸变(弯曲或翘曲)。高温蠕变伸长引起的断裂也属过量变形，断口为沿晶断裂。低碳，高氧铁的室温拉伸试验断口，注意等轴韧窝含有FeO的球形质点，球状明显(2)延性断裂 断口附近的外外表有明显的塑形变形，有切变边。宏观断口无金属光泽吴无结晶颗粒的灰色，纤维状断口。它的一般电子断口相为微孔聚集型的塑坑。如有颗粒状夹杂就

36、在坑的底部。常温为穿晶，持久高温拉断为沿晶，晶界面上有塑坑含0。14%S和0。04%O的铁合金断口, 夹杂物和基体分开，所以没有受应力及严重变形的影响加锰时，高氧高硫铸铁中的夹杂物，Mn(Fe)O, Mn(Fe)S(3)脆性断裂 主要指在空气中常温下拉伸或冲击无宏观粗放型的断裂断口较平整有强烈的金属光泽，有的为结晶颗粒组成的亮灰色断口。部件无明显变形，断口大局部无切变边。电子断口相为穿晶解理的河流把戏；沿晶的表现冰糖把戏。铁低，碳钢，体心立方金属及其合金，密堆六方金属在室温多为解理脆断。假设晶界有析出物多表现为沿晶断。4130Cr-Mo钢843C奥氏体化油淬，250C2小时回火24C一大气压氢

37、气中试验，完全晶界断裂，晶粒间有深的二次裂纹，显微空穴聚集形成大量韧窝4130Cr-Mo钢843C奥氏体化油淬，250C2小时回火24C一大气压氢气中试验，完全晶界断裂，晶粒间有深的二次裂纹，显微空穴聚集形成大量韧窝(4)疲劳断裂 大多数的运动部件，材料又为韧性好的，一旦出现断裂，断口上往往可以看到贝壳弧形线把戏。而高倍却不一定出现疲劳纹，也不要把一次拉伸的片状珠光体断口当成疲劳纹。主要以宏观形貌为主，微观形貌为辅。超高强度钢和以下情况就观察不到疲劳纹，但仍然是交变应力致断的疲劳断裂。这些情况是：疲劳纹间距200A，观察工具的分辨本领不够(如一般的扫描电镜)，可改用透射电镜观察。裂纹尖端处的延

38、性不够，不易产生缩颈，不形成条纹。导致疲劳断裂的应力类型不是开型(I型)，不产生疲劳纹。随后的断裂操作或腐蚀把疲劳纹抹掉了。5155铬钢850C油淬，450C回火。2600次循环后发生断裂的轮胎痕迹1020低碳钢，0。20%C，0。52%Mn 0.22%Si，3100次循环后发生断裂，造成轮胎痕迹的断口718合金室温疲劳条带，疲劳斑片，分割各疲劳斑片的台阶是清楚可见的，中心斑片的疲劳条带间距大约1微米。无氧高导性铜疲劳条纹，此处裂纹生长率很高。导致了非常规则的疲劳条带 1041碳钢感应淬火HRc50，疲劳断口，两条裂纹，两个源1041碳钢感应淬火HRc50，带键槽的疲劳断口，左边一次偶然电弧触

39、发，引起 一个疲劳裂纹1039碳钢外表硬化疲劳断口，外表HRc50，心部HRc19，在贯穿入心部前外表几乎完全破裂两个断裂源1045钢制传动齿轮HRc55，感应淬火，弯曲疲劳断口，裂纹源在断口的左边缘上图的断口照片，裂源完全磨损，证明裂纹起初扩展缓慢，载荷分布很好1046碳钢曲轴，HRc25，断裂区的疲劳断口，两条裂纹1050钢疲劳断裂左1海滩标记偏心，说明加载不平衡 2 HRc35，出现棘轮标记，证明疲劳裂纹是从锋利的环沟周围许多地方 开场的右，齿轮一个齿的疲劳断口，HRc55，疲劳源在锻造缺陷箭头处，有海滩标记有河流把戏硬度为HRc50,由1050钢制的浮动轴的疲劳断口，裂源在箭头处，由剪

40、切疲劳形成小而圆海滩标记，直到最后脆性拉断1053碳钢制拖拉机左侧后传动齿轮，使用732小时后一个齿断裂，HRc57，感应淬火13。3mm处HRc50，根部拐角处的硬度靠近外表HRc56，11。5mm深处HRc50 下为 同一拖拉机的右侧后传动齿轮的疲劳断口，使用841小时后，一个齿发生断裂，1053碳钢制造，感应淬火，硬度与前者相似，只是在齿尖以下12。2mm和根部拐角面以下9。5mm处HRc50，箭头指出，疲劳源恰好在一个破齿下面，可能是被破齿碎片挤坏的2025-T6铝合金飞机螺旋浆叶的疲劳断裂，中心的配重空腔，在边缘处有一个疲劳裂纹源箭头处，断裂发生在形成空腔一端的半径起始处，对空腔外表

41、的检查，显示出由刀痕和腐蚀坑造成的外表极端粗糙，此种刀痕和腐蚀坑的综合作用被认为是裂纹产生的原因。(5)腐蚀疲劳断裂 最显著的特点是有多个断裂萌生源，但其中一个是呈灾难性扩展。断裂源被疲劳休止线围绕。源上腐蚀产物较多，垂直于断口的外侧面表现为锯齿状或串珠状。因为多数情况下裂纹起源于点蚀坑，即始终都在应力集中处，在小的缺陷处开场。这是腐蚀疲劳与应力腐蚀开裂的区别，腐蚀疲劳断口，注意裂纹尖端变钝，而二次裂纹尖端没有变钝腐蚀疲劳断口200T碳钢拖轮驱动轴。腐蚀介质为海水，断裂源由海滩标记指出在左边。(6)应力腐蚀开裂 这种断裂仅在受到拉应力(或低速度的动应力)和处于特别介质中才发生。拉应力叠加一小的

42、交变应力属腐蚀疲劳，断裂源从外表开场，点蚀坑反而不利于应力腐蚀开裂。铝合金、低碳钢、高强钢、-黄铜等通常都是沿晶开裂或紧靠晶界一侧开裂。-黄铜的*些开裂是沿基体与孪晶之间的界面断开的。奥氏体不锈钢是穿晶断裂，并有宏观分叉。电子断口相有扇形或羽毛形把戏。与氢脆断口的主要区别，用腐蚀产物判别，有为应力腐蚀开裂。(7)氢脆断裂 一般多在中等应力强度因子的有氢情况下发生断裂，故氢脆多为沿晶断口。这些界面在电镜下观察多有鸡爪形的撕裂棱，或有细的凹坑。这两种是应力腐蚀开裂所没有的。4130Cr-Mo钢843C奥氏体化油淬，250C2小时回火24C一大气压氢气中试验，完全晶界断裂，晶粒间有深的二次裂纹，显微

43、空穴聚集形成大量韧窝，典型的细撕裂棱容易发生应力腐蚀裂纹的实例金属材料腐 蚀 介 质铝合金含氧化剂的NaCl水溶液，含空气的水蒸气铜合金氨水溶液及胺蒸气，含空气的水蒸气金合金FeCl3水溶液镍铬铁合金NaOH水溶液铅醋酸铅水溶液镁合金含氧化剂的NaCl水溶液高温，蒸馏水蒙乃尔合金Monel熔融 NaOH， HF水溶液镍熔融NaOH， NaOH水溶液沸腾状态碳素钢NaOH+Na2SiO3水溶液，沸腾状态 Ca(NO3)+NH4NO3+NaNO3水溶液沸腾状态 H水溶液低合金钢混合酸H2SO4+HNO3水溶液，海水奥氏体系由MgCl2，BaCl2水解成的弱酸性氯化物水溶液不锈钢海水，浓的强碱水溶液

44、高温铁素体系及马氏体系的不锈钢H2S水溶液酸性 NaOH+H2S水溶液钛红色发烟硝酸(8)液态金属致脆 通常是沿晶断，可以把它看成是特殊类型的应力开裂，因为增加应力或剩余应力能加速断裂。断口或细裂纹上存在低熔点金属，用电子探针可检验出来。低熔点是相对的，Fe对Pt，Cu对Fe都算低熔点，在高温就产生液态铁脆或铜脆。(9)振蚀腐蚀断裂 它和普通的磨损不同：它发生在两个相对固定的接触面上，由振幅极小(0.012.0um)的振动产生相对地来回滑动，母材产生的碎片保存在振蚀的位置上，铝合金的碎片为墨色，钢的产物为棕色粉末。这些产物是基体金属粒子及其氧化物和它的水化氧化物三者的混合物，发生的位置在联接处

45、，如螺钉、销钉、铆钉和键的接触面处。(10)液体侵蚀 主要指气蚀和冲击侵蚀。前者的外表和皮下-吴溃疡性腐烂，外外表口小而皮下空腔大。后者为高速液滴冲击金属，表现为凹坑，口大底小。都以物理损坏为主。(11)局部腐蚀 多数失效表现泄漏。失效件表现出现非均匀的局部腐蚀，有的表现为形状规则或不规则的凹坑，或突起。局部腐蚀是除均匀腐蚀以外的所有腐蚀的总称。至于是哪种腐蚀，随外加条件而定。(12)磨损失效 包括八种磨损(见失效分类表)。磨损速度取决于许多因素，如两个接触面使用的性能、载荷大小、温度上下、滑动速度、外表光洁度和润滑方式等。失效的共同特点是外表磨损痕迹较重。(13)高温失效 包括高温疲劳，热疲

46、劳，氧化和蠕变。断口上都有高温氧化的颜色。前者是氧化区，晶连续裂，是高温发生开裂而来的，高温下晶间为弱区至于五种制造工艺(铸造、锻造、焊接、热处理和机械加工)所产生的各种裂纹，都直接与该工艺的缺陷相联系的。这里从略。6.全部信息的归纳、分析、评价和处理对一桩失效分析工作，在做到一定阶段或试验工作完毕时，都应对进展的工作所获得的全部信息(调查的材料和证词，观察的、测试的、计算的数据和全部的照片)给与集中、整理、分析、评价和处理，并作出初步的简明结论。在进展集中、分析时，分析人员应当对应失效部件的历史穿插核对，对所取得的每个观测结果审查有无任何矛盾。如果有，很可能正是这些矛盾提醒了失效的可能原因。

47、在评价这些原因和估计它们的重要意义时，要靠分析人员的训练素养和经历，而不单凭他们的专业知识。对现场调查中，人对失效所负的责任，已有一些取证。在作失效结论时，以下人为因素是否已被排除：判断错误，技术低劣，违抗命令，粗心大意，玩忽职守，领导指示错误，规定职责围不合理，职工间的敌视或不团结，以及通讯设施低劣。这些都应加以考虑。在试图形成初步结论之前，应当用最大努力聚集力学的、化学的、金相的和断口的和测试结果。对已经发表的同样损坏事例分析的文献要参考，对*些研究、分析得出相反的负结论也要重视，它可以通过讨论帮助排除*些可能的损坏原因。另一方面，如打算削减有关失效本质研究的试验必须慎重处理。因为由单一信

48、息就得出失效原因的判据，虽然有这种可能，但概率很小。在作最后结论之前，尽量再寻找一些能使原先判断意见更坚实可靠的补充论据，以免单一论据容易受到盘问和疑心。为了检查按上述分析程序进展的工作有无漏洞或考虑不周的地方，可以设想一系列的问题来进展核对，帮助注意整个调研细节和试验中可能疏忽的地方，并指出哪些是关键环节，目的在于使分析工作少走弯路，小出漏洞。总之，在下分析结论时，证据缺乏或推测得出的结论就不能武断、肯定；但证据充足时应防止下模棱两可的结论7.写出有建议的报告失效分析的报告的格式与科学研究报告不同；除了应写得有条理、简明扼要、符合逻辑，这些与科研论文一样外，失效分析着重在失效情况的调查、测试

49、取证、系统分析得出中肯结论，不着重失效机理的探讨，这有别于断裂机理的研究报告。前者着重分析，后者重点在议论。因此失效分析报告应分成以下几个重要大节，应有清楚的层次和严密的构造：一、概述失效发生的日期、时间和地点，失效的大致情况(经济损失和伤亡情况)。受谁委托，要求和目的。 二.调查结果：失效部件的情况，损坏时的工况和使用条件，失效前部件的服役史，部件的制造历史和处理历史。三.观察与测试结果宏微，微观断口分析，冶金分析(组织与成分)，力学分析，材质评价，工艺评价四.讨论对任何反常情况的讨论，对引起损坏原因机理的概括，或可能失效机理的讨论。五.结论与建议 提出失效的起因，并提出防止将来服役中发生同

50、样失效应采取的措施建议，或使用同样部件应采取的改良措施的建议。当然，无关紧要的数据，可以略去。长的报告应列出目录并写出提纲。专门术语尽可能少用，让大多数人能读懂。封面文字应概括最重要的发现和建议，这是对上级领导的最好介绍，因为他们没有时间和兴趣来钻研这些专门技术。但为了争取他们能及时作出有根据的判断，需要关键性的发现和中肯地建议。8.回访与促进建议的贯彻。回访主要在验证所做出的分析结论的正确性，并了解建议的现实性和正确性，同时能进一步丰富损坏分析人员的各类现场知识。这对提高损坏分析的质量和效率是大有好处的。贯彻建议常常是一项困难的任务，一些生产厂对不经常出现的失效不会去积极改善。而一旦失效重现

51、影响生产很大时，又急如星火。因此，对于关键性的失效应当设法促进建议的贯彻执行。为了开展良好的可加工部件，以及进一步的改良和提高质量，应搞研究，设计，制造和使用之间的大协作，只有在国家质量管理法中作一些规定，下面群策群力才能把重大的失效几率减到最小比例。四、结语失效分析的系统(如机械、化工、石油、交通、能源、航空等等)很多，它们所包括的大小部件就更名目繁多举不胜举。因此，在介绍分析思路和分析程序时，只能作概括性地表达，尽可能搞能用的思路和程序，虽然不能做到对每种失效部件都完全适用，但绝大局部是适用的，只要读者选择前面介绍过的思路中的一种，按程序步骤逐步实施，增加*些测量数据，删去对你当前分析这桩

52、工作是不必要测试工程。这样根本上能满足失效分析入门的要求。更高的要求，还靠大家来充实。八，金属的显微断口分析一)断口学概述断口学是研究金属断裂面(断口)的形态特征、形成原因和影响因素的一门科学。根据研究尺度的不同，它又可分为宏观断口学和显微断口学两个分支。宏观断口学是利用肉眼或放大镜，通过分析断口的色泽、粗糙程度、放射棱线的方向和宏观变形等来确定断裂源位置、裂纹扩展方向，受力方式和可能的环境介质，并进一步推断断口的性质即断裂的原因等。如我们在前面直观检验局部所进展的那样，显微断口学(有人称为断口金相学)则是利用光学显微镜、透射电子显微镜，尤其是扫描电子显微镜来研究断口的形态特征、形成机制和影响

53、因素等。它和宏观断口学的研究结果互相补充、验证，使人们得以对断裂的全部过程有更深入和正确的了解。造成金属断裂的外部条件如应力、环境介质等是多种多样的；金属本身的化学成份、热处理状态等又各不一样，但是断裂的根本方式、即断口的根本显微形态却是很有限的。这就是说，任何断口都是由一种或几种根本显微形态或它们的变态按一定的规律、以不同比例组合而成的。这才使我们有可能对千变万化情况下的断口形态进展分类并分别予以研究。后来又发现，各类显微断口形态的出现根本上对应一定的部或外部条件。因此，金属构件断裂后，就可通过对断口形态的分析，反过来追溯它断裂时所处的条件，从而确定断裂的机制和原因，这就是断口分析在断裂失效

54、分析中占重要地位、有时甚至占主要地位的原因。人们早就用光学显微镜对金属的断口作过大量的观察与分析。已有人对这方面的研究结果作了系统的总结。但是，只是在透射电子显微镜、尤其是六十年代扫描电子显微镜出现后，显微断口学的研究及其应用才取得决定性的突破。出现了电子断口学这一专门术语，并成为显微断口学的同义词。后面将介绍的断口的显微特征及其形成机制等几乎全是近年来电子断口学的研究结果。从学科上来说，断口学作为断裂物理的组成局部，已成为整个断裂学科的根底之一。尤为重要的是它在国民经济和国防建立中的作用已逐渐被人们认识。可以说，这是一门既有理论意义、又有实用价值的新兴学科。对于断口、尤其是显微断口的形态特征

55、和形成机制等，已作了大量的研究，积累了丰富的知识，本文仅从断裂失效分析的角度出发，对最常见的一些显微断口形态，它们的形成原因以及如何利用它来进展失效分析等作一简单介绍。对这方面需要进一步了解时可参阅有关专著。(二)断口的根本显微形态及其形成机制1断口的分类可从不同角度或尺度(层次)对断裂或断口进展分类。如根据断裂后宏观变形量的大小分为延性(韧性)断口和脆性断口；根据裂纹扩展的途径分为穿晶及沿晶断口，根据断口的显微形态分为塑坑型及解理型断口等。在对材料的冶金质量进展评价时，还常根据宏观断口的外貌分为木纹状，纤维状或萘状断口等等。熟铁冲击断口，木纹状断口4140Cr-Mo钢过载断裂，韧窝穿晶快速断

56、裂的典型，垂直标记为硫化物渣条4340NI-Cr-Mo钢, 网状磨削裂纹4340，飞机水平尾翼传动筒轴，真空镀铬，裂纹由氢脆引起，飞行前检查，发现有裂纹。不同的分类方法适应了不同的需要，而在介绍金属的显微断口形态时，我们将采用穿晶和沿晶断口这种分类方法，并进一步分为塑坑型及解理型断口等。2穿晶断口工业合金绝大多数是多晶体。当裂纹穿过晶粒扩展时，形成穿晶断口，沿着晶界扩展则形成沿晶断口。穿晶断口有以下几种根本显微形态：(a)塑坑型断口。大多数的钢和铝、铜等有色金属过载断裂时，都形成这种塑坑型断口。金属在外力作用下性变形时，各处的变形程度是不同的。由于位错塞积等原因，首先在基体和夹杂物、沉淀相或晶

57、界等的界面上产生微裂缝；聚成爱着应变率增加，它们扩展或显微孔洞，且逐渐变大、彼此连接终于导致断裂。在一对断口上，对应的位置都凹陷的小坑，由于它和材料在局部的塑性有关，故把它称为塑坑，亦有人称为韧窝、选波等。正因为塑坑易在夹杂物、沉淀相等处形核，故常可在它们的底部看到夹杂物等。塑坑形成过程的示意图及典型形貌见图塑坑的大小、深浅可在很大围变化，而这和形核点数目(材料纯洁程度)、塑性好坏及环境温度等有关。一般来说，材料的纯度、塑性及变形温度越高，塑坑就越大、越深。塑坑的状态则根本取决于断裂时的应力状态：正拉应力造成的断裂形成等轴塑坑；切应力形成拉长的塑坑，且在一对断口上，塑坑被拉长的方向相反；撕裂应

58、力也造成拉长的塑坑，但在对应断口上，方向一样。示意图见图3。除三种根本形态外，在更复杂的应力状态下，塑坑形状也会有相应的规则变化。断裂失效分析时，有时利用这特点来判断断裂时就应力的方向。7075-T6w铝合金试样过载拉伸断口，顶部和底部都是极小韧窝区，在照片的中心局部可以看到金属间夹杂物解理小面位于大囊中，这些富铁硅的夹杂物仅与囊壁稍微相接。0。01%C 0。24%Mn 0。02%Si的铁100C下的冲击断口，韧窝，轻微拉伸，说明了塑性撕裂。在-196C下的冲击断口。河流把戏低碳，高氧铁的室温拉伸试验断口，注意等轴韧窝含有FeO的球形质点，球状明显一般来说，断口上出现塑坑时，反映该裂纹已失稳，

59、因而快速扩展。而慢速扩展(亚临界扩展)的裂纹如应力腐蚀、疲劳及腐蚀疲劳等是不会在断口上形成塑坑的。这一重要特征常被用来区分由于应力腐蚀等形成的旧断口和人工分开时形成的新断口。一个重要的例外是低周大应变疲劳或应力强度因子很大的氢的延迟裂纹的断口上，有时也会出现塑坑，失效分析时，这是应注意的。(b)解理断口解理是指金属等晶体在外力作用下沿*些特定的晶面(解理面)劈裂的现象。在晶体学和矿物学等学科中经常使用这一术语。解理是通过破坏原子间的键合来实现的。因密排面之间的原子间距最大、键合力最弱，放大多数解理面是原子密排面。体心立方金属如铬、钼、钨和铁素体状态的钢等的解理面是100，少数情况下可是112或

60、110；六方金属如锌、镉和镁等则是0001面。在室温、尤其是在低温过载时，这些金属容易沿上述解理面发生解理断裂。除低温外，存在三向应力(如缺口或裂纹尖端)或应变速率较高时均有利于发生解理断裂。一般来说，面心立方金属如铜、铝和奥氏体状态的钢等由于存在大量滑移系统，很容易，通过滑移而变形，因此，除极少数例外，它们不会发生解理断裂。对理想晶体来说，解理应始终在一个晶面上进展，并且解理面应是完全光滑的。但实际：晶体中存在晶界、第二相粒子和位错等大量缺陷，在*一晶面扩展的解理裂纹遇到这些缺陷后受阻，会转移到相邻的晶面(同一面族)上继续扩展，这过程会在断口上形成解理台阶。此时，根据情况的不同，它们或者互相