材料损坏分析课程大纲

损坏与损坏分析张士钦（台湾新竹清华大学教授）2009春季于上海交通大学上课时间和地点：每周二、周四上午3〜4节，陈瑞球楼205（2009年2月24日至4月26日）课程大纲36学时共分18次授课每次2学时教学方式（TeachingMethod）1.讲授2.实例研讨3.个别报告教学进度（Syllabus）第一次--损坏及损坏分析简介（一）第二次--损坏及损坏分析简介（二）第三次--断裂面相学第四次--脆性及延性破坏，塑变不稳定性第五次--材料之韧性与破坏力学简介第六次--脆性破裂依据KTCIC第七次--J分与延性破裂判据第八次--疲劳第九次--期中考40%第十次--磨损第^一次一腐蚀第十二次--应力蚀裂与腐蚀疲劳第十三次一氢破坏，LME,SME,SourGas第十四次--材料高温破坏第十五次--复合与陶瓷材料破坏第十六次--电子材料破坏第十七次--期末报告与检讨10%第十八次--期末考40%损坏及损坏分析简介一、损坏：对象若有下列状况之一，即称为损坏：根本不能运转。例如：1985/7/台湾核三厂汽机叶片断裂；1986/L/2美国挑战者号航天飞机升空时爆炸；2003/1/1哥伦比亚号发射升空，在2/1降落前爆炸；2000/7/2月法航协和飞机在巴黎坠毁；1999/L/4重庆市綦江县彩虹桥（96年建成）垮塌；2007/08/20华航的波音七三七客机降落日本那霸机场后左翼起火焚毁。继续使用会造成危险或不良结果，而必须立即整修或更换。例如：澎湖跨海大桥腐蚀（1965-1970建成，1973-1996改建）；303不锈钢可乐机龙头含硫；汽车煞车磨损、2007/09/03中山高北上联结车后方的3片煞车鼓突然脱落砸死人；2007/9/2中华航空公司日本佐贺包机机腹裂痕事件。能运转，但不能达成其预期功能。例如：榨糖辊子磨损，效率下降；钟表不准；液压系统渗漏。能运转，但价值降低，客户无法接受。例如：纪念金币；电子产品或高级精品上有锈迹；不锈钢片表面括痕。二、损坏的现象：断裂。变形（弹性或塑性）。表面破坏。例如：磨损、腐蚀。材质变化等。例如：竦铭钼钢回火脆化、304不锈钢敏化、铝合金时效、塑料辐射脆化。三、损坏分析的功能与目的：找出损坏原因，判定损坏责任，在学术上增加对损坏机制与理论之了解，在实用上则可提供设计、选材、制程、操作应用及维修保养之有力参考，以提升产品之品质、可靠度与安全性。对各项产业与现代科技文明来说，材料损坏分析的重要性是无可取代的。四、一些损坏分析的实例:中华航空公司日本佐贺包机机腹裂痕事件铁达尼号自由轮与T2运油轮受热破坏的印刷电路板内层铜与导通孔断裂的印刷电路板IC接线损坏分析有内伤的IC五、损坏分析者应具备的知识或基本能力：了解材料损坏分析的方法与程序。了解材料损坏的型态。脆性与延性破坏、塑变不稳定性、破裂（fracture）与破断（rupture）、断裂面相学等。了解材料损坏的基本原因与损坏机制。例如：材料缺陷、材料脆化、材料弱化、应力集中、疲劳、磨损、腐蚀、环境影响破裂（应力蚀裂、辐射引致破裂）、腐蚀疲劳、氢破坏高温破坏等。了解材料的特性。例如：合金成分与微结构对材料的特性的影响、材料脆化或弱化机制、铝合金时效、析出物缺乏区、304不锈钢的敏化、焊道及热影响区、不锈钢铭缺乏区、竦铭钼钢的回火脆化、塑料或金属的辐射脆化等。具备力学及破裂力学基本知识。了解材料分析工具的特性。例如：非破坏检验（PT、MT、UT、ET、微波、X光、中子....）；机械性质测试（硬度、拉伸、韧性）；化学成份分析（EPMA、ICP-AES、AA、X光绕射、荧光分析、Auger、ESCA）显微镜（OM、SEM、TEM）观察及分析微结构分析；聚焦离子束制程技术（FocusedIonBeamFabrication）制作分析试片等。智慧与经验。剥茧抽丝的逻辑分析能力、明察秋毫的敏锐眼光、足够的阅庭等。六、损坏分析的一般步骤及注意事项：损坏分析就像侦探办案，必须注意证据的保持维护。现场的详细记录与机件操作经历资料之收集分析均为正确迅速破案之要件。损坏分析的分析步骤一般而言，需由大而小、由巨观分析而微观分析，现场与证据需加保持，破坏性的分析检验应尽量放在其它分析步骤之后，最好能在控制的状况下造成相同或类似的损坏，以确定损坏原因。以下列出一般分析步骤，其中各分析次序可能作一些更动，亦可能增加或减少一些步骤，总以不违反上述原则为准。背景资料搜集。现场记录与肉眼观察。选定标示，保护或清洁试样。肉眼或低倍放大观察表面。力学分析。高倍显微镜观察分析表面（OM、SEM、EPMA）。非破坏检验（PT、MT、UT、ET、微波、X光、中子....）。选择并制作分析试样结构（OM、TEM、X光绕射）。机械性质测试（硬度、拉伸、轫性）.化学成份分析（整体、区域、表面腐蚀物、沉积物、涂装....）（ICP-AES、AA、X光绕射、荧光分析、AugerESCA）。研判破坏机制。在控制条件下试验，造成类似损坏，以确证损坏过程。13.分析所有证据，提出结论建议报告。七、损坏的基本原因：通常损坏是由多项因素共同作用的结果，这些基本原因包括：设计不良：刻痕、锐角等应力集中因子，变更设计或提高零件使用条件不当，设计判据不足等。选材不当：仅以拉伸试验结果选材，未考虑低温延脆转换、腐蚀、疲劳、高温、磨损、氢脆等性质。材料缺陷：铸件中之冷断（coldshut）、偏析（segregation）、粒间熔解或氧化、夹渣、气孔、缩孔；锻件中之冷折（laps）、缝（seams）、带状结构（bandedstructure）、流线（flowline）等。制程缺陷：冷加工、切割研磨、记号刻印、热处理、焊接、放电加工等制程中常会形成一些刻痕、脱碳、残留应力、脆化等缺陷。装配不当：工人不小心，制程规范不当，欠对准等。操作条件不当：起动、关机或维护不当等。此外在检验、测试、品管、储运时亦可能造成损坏。意外的超负荷或环境变化引起的损坏也常有。八、损坏分析的工具简介：光学金相显微镜(OM).光学金相显微镜利用可见光源，以反射光成相，以观察材料之显微组织，放大倍率通常在1500X以内。因其景深很小，被观察试片表面需非常平整。成像通常以反射光明视野像为主，亦可利用偏极化光，相对比，干涉光，暗视野等方法达到特殊效果(图一及图七上)。电子显微镜(EM)电子显微镜基本上是利用一道极细的电子束作为探针，藉侦测电子与试片作用所反应的讯号来探测试片的特性。图二显示电子束射到试片上所产生出的各式讯号。2-1穿透式电子显微镜(TEM)穿透式电子显微镜是利用穿透电子信号，入射电子能量100keV以上。电子在穿过材料晶格时会产生绕射，在晶格有缺陷或变化的地方，绕射的状况也会随之而变，因此可利用直接穿透电子成明视野像(brightfieldimage)；亦可利用任一绕射点成暗视野像(darkfieldimage)，以观察材料内部析出物、差排、品界等微结构。由绕射点花样(diffractionpattern)则可定出结品构造；利用复制膜方式(replica)，如图三所示，可以复制试片之表面以TEM观察。2-2扫描式电子显微镜(SEM)扫描式电子显微镜是利用以20-50keV能量的电子来扫描试片，以其二次电子(SE)或反弹电子(BE)讯号成像，基本上就像人以于指触摸物品表面，或盲人以杆扫描地面而知其表面状况类似。除了放大倍率可全数万倍以上，SEM的景深比OM大得多，因而特别适于断面等粗糙表面之观察(图四)，因SE与BE能量不同，其在试片内之逃出深度不同(图五、六)因而有不同之鉴别率，二次电子能量在50eV以下，逃出深度小，鉴别率高，且因其能量低，可藉由电子探测器前方法拉弟笼(Faradaycage)上约250eV的正偏压，吸引到不同方向的二次电子，使凹背面的影像亦可加以观察(图七)，因而是SEM中最常应用成像的讯号，适用于观察试片表面的高低(topography)。反射电子则因其数量随试片原子序之不同而有所不同所成之像可强调各区域原子组成的差异(图八)。2-3电子微探仪(EPMA)和SEM类似，但以探测入射电子在试片中激发的X光为主，可以分析试片上一点、一线或全面(mapping)的成份，也可以SE或BE成像。(图九)2-4扫描欧杰电子能谱仪(SAM/ESCA)以探测及分析欧杰电子为主，欧杰电子能量约在50eV-2keV,在一般材料中其逃出深度很小(图六)，因而只有试片表面数层原子产生的欧杰电子会被探测至0，适于作试片极表面的成份分析，配合离子枪则可逐层剥离并分析试片深度方向成份变化。原子发射光谱分析仪(AES)材料中原子被激发后，其电子跃迁回基态时会放出特性的光谱，由此可得知材料中的组成元素，用火花式激发可作固态金属试样的化学成份分析；电浆式发光源可做水溶液的化学成份分析。X光绕射分析利用X光绕射原理分析品试样，可比较分析得知试样的结品构造及成份。九、材料损坏机制1.材料脆化：热处理或高温使用材料，可能造成以下各类形式的脆化：低碳钢之应变时效脆化低碳钢之淬火时效脆化低碳钢之发蓝脆化合金钢之回火脆化高强度低合金钢之350°C脆化肥粒铁型不锈钢之400-500C脆化不锈钢之a相(sigmaphase)脆化石墨化(碳钢及低合金钢)镀锌铁之金属间化合物脆化此外金属受环境影响，尚可发生下列各种脆化现象：中子脆化氢脆化应力蚀裂液态及固态金属脆化疲劳材料在受到反复或变化的应力作用时，纵然此一变化之应力远低于一次使材料断裂所需之应力，但经多次反复作用以后，亦可能使材料断裂.这种由变化性负荷所造成的断裂称之为疲劳断裂。磨损磨损是材料表面与其它固体，液体或气体相对移动而造成表面材料变形或脱落的现象，磨损可分为下列各类型：黏合磨损磨削磨损冲蚀磨损腐蚀磨损表面疲劳磨损移擦(fretting)冲蚀腐蚀气泡冲蚀腐蚀腐蚀是金属和其环境间因化学或电化学的反应而造成的破坏，一般腐蚀现象可分为下列八种形式：均匀腐蚀或普遍腐蚀伽凡尼腐蚀间隙腐蚀孔蚀晶粒间腐蚀选择性溶解冲蚀腐蚀应力腐蚀氢破坏材料在含氢环境下，其性质可能有下列形式的变差状况。氢气肿一生成氢气泡，胀裂材料。氢脆一材料在含氢状况下，其延性或强度变差。氢攻击--氢和碳钢中C结合生成CH4气泡，延性及强度变差。生成氢化物--Ti,Ta,Zr,U,Th等会形成氢化物脆化。钢铁脱碳。潜变及高温破坏在高温下承受应力，材料会逐渐的产生变形，而使其不堪使用或破坏。材料在负荷一定的情况下，随时间而渐增的应变即为潜变(Creep)。在高温环境中材料还可能产生热腐蚀、氧化、碳化、再结品、晶粒成长、球化、石墨化或其它的结构变化而破坏。电迁移破坏(electromigration,EM)半导体组件尺寸微小化以致流经各导线的电流密度升高，在高电流密度下，由于电子将动量转移给导线中金属原子，使原子随电子流方向与特定路径产生移动。导线的一端因原子的移