金屬材料及零部件失效分析

| 簡介

隨著科學(xué)技術(shù)和工業(yè)生產(chǎn)的迅速發(fā)展，人們對機械零部件的質(zhì)量要求也越來越高。材料質(zhì)量和零部件的精密度雖然得到很大的提高，但各行業(yè)中使用的機械零部件的早期失效仍時有發(fā)生。此類失效不僅造成設(shè)備非計劃停機與高昂更換成本，更可能導(dǎo)致災(zāi)難性安全事故與重大環(huán)境風(fēng)險，并引發(fā)設(shè)計方、制造商、用戶及監(jiān)管方的復(fù)雜責(zé)任爭議。通過失效分析，找出失效原因，提出有效改進措施以防止類似失效事故的重復(fù)發(fā)生，從而保證工程的安全運行是必不可少的。

| 相關(guān)行業(yè)

汽車零部件、精密零部件、模具制造、鑄鍛焊、熱處理、表面防護等金屬相關(guān)行業(yè)。

| 金屬失效分析的意義

1. 減少和預(yù)防產(chǎn)品同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，減少經(jīng)濟損失，提高產(chǎn)品質(zhì)量；

2. 為裁決事故責(zé)任，制定產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準等提供可靠的科學(xué)技術(shù)依據(jù)。

| 常見失效模式

1、變形失效：彈性變形；塑性變形；蠕變；應(yīng)力松弛 

2、斷裂失效：韌性斷裂；脆性斷裂（包括沿晶斷裂，解理斷裂）；疲勞斷裂。 

3、腐蝕失效：均勻腐蝕；點腐蝕（包括孔蝕）；縫隙腐蝕；局部腐蝕；晶間腐蝕；電偶腐蝕；氫腐蝕；應(yīng)力腐蝕開裂；腐蝕疲勞；多相腐蝕；氧化；硫化物腐蝕；電化學(xué)腐蝕；酸性化合物腐蝕。

4、磨損失效：磨料磨損；粘著磨損；沖蝕磨損；微動磨損；腐蝕磨損；疲勞磨損；沖蝕。

5、表面失效：表面變色、鍍層剝落、鼓泡。

| 常見失效原因

1、設(shè)計不當(dāng)引起的失效：結(jié)構(gòu)或形狀不合理，構(gòu)件存在缺口、小圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū)，未能恰當(dāng)設(shè)計引起的失效比較常見?？傊?，設(shè)計中的過載荷、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)、安全系數(shù)過小(追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會導(dǎo)致構(gòu)件及裝備失效。分析設(shè)計原因引起失效尤其要注意：對復(fù)雜構(gòu)件未作可靠的應(yīng)力計算；或?qū)?gòu)件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對工作載荷確定和應(yīng)力分析準確的構(gòu)件來說，如果只考慮拉伸強度和屈服強度數(shù)據(jù)的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效，都會在設(shè)計上造成嚴重的錯誤。

2、選材不當(dāng)及材料缺陷：金屬裝備及構(gòu)件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經(jīng)濟性原則，遵循使用性原則是首先要考慮的。使用在特定環(huán)境中的構(gòu)件，對可預(yù)見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。如對韌性材料可能產(chǎn)生的屈服變形或斷裂，應(yīng)該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度；但對可能產(chǎn)生的脆性斷裂、疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件，高強度的材料往往適得其反。在符合使用性能的原則下選取的結(jié)構(gòu)材料，對構(gòu)件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經(jīng)濟性也是必須考慮的。

3、制造工藝不合理：金屬裝備及其構(gòu)件往往要經(jīng)過機加工(車、銑、刨、磨、鉆等)、冷熱成形(沖、壓、卷、彎等)、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規(guī)范制訂欠合理，則金屬設(shè)備或構(gòu)件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如機加工常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕；冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在焊接時可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高)、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過程經(jīng)受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變不同，有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如超過限度則會導(dǎo)致構(gòu)件以及裝備早期失效。

4、使用操作不當(dāng)和維修不當(dāng)：使用操作不當(dāng)是金屬裝備失效的重要原因之一，如違章操作，超載、超溫、超速；缺乏經(jīng)驗、判斷錯誤；無知和訓(xùn)練不夠；主觀臆測、責(zé)任心不強、粗心大意等都是不安全的行為。

| 金屬中常見缺陷

1、鑄造制品主要缺陷：偏析、氣孔、縮孔與縮松、夾雜、裂紋、冷隔及其他缺陷。

2、金屬材料加工成形缺陷：加工熱裂紋和冷裂紋、熱處理裂紋、過熱與過燒、異物壓入、腐蝕、粗大的魏氏體組織、網(wǎng)狀碳化物及帶狀組織、鋼材表層脫碳、折疊、分層。

| 失效分析方法

1、外觀觀察：判斷失效模式，對于斷裂，判斷主裂紋。

使用設(shè)備：超景深顯微鏡。

當(dāng)各斷裂件中，既有延性斷裂，又有脆性斷裂時，一般脆性斷裂件發(fā)生在前，延性斷裂件發(fā)生在后；

當(dāng)各斷裂件中，既存在脆性斷裂件，又存在疲勞斷裂件時，則疲勞斷裂件應(yīng)為首斷件；

當(dāng)存在兩個或兩個以上的疲勞斷裂件時，低應(yīng)力疲勞斷裂件出現(xiàn)在前，而大應(yīng)力疲勞斷裂件出現(xiàn)在后；

1）分枝法：分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋（圖2）。

2）T型法：在一般情況下橫貫裂紋A為首先開裂的，A裂紋阻止B裂紋擴展或者B裂紋的擴展受到A裂紋的阻止時，A裂紋為主裂紋，B裂紋為二次裂紋（圖3）。

3）變形法：變形量較大的部位為主裂紋、其他部位為二次裂紋（圖4）。

4）氧化法：氧化程度最為嚴重者為斷裂源頭（圖5）。

5）疲勞裂紋長度法：當(dāng)存在兩個或兩個以上疲勞斷裂件時，低應(yīng)力的疲勞斷件疲勞裂紋長、疲勞弧線或條帶間距較密，為主裂紋或主斷口（圖6）。

2、微觀觀察：觀察斷口形貌，判斷斷裂模式。

使用設(shè)備：電子掃描顯微鏡。

3、金相觀察：觀察金相組織，測量缺陷尺寸。

使用設(shè)備：金相顯微鏡。

4、X射線透視：對于某些不能通過外觀檢查到的部位如PCB的通孔內(nèi)部和其他內(nèi)部缺陷，使用X射線透視系統(tǒng)來檢查。

使用設(shè)備：X射線系統(tǒng)。

5、成分分析：

DS能譜分析：快速對所分析面進行元素定性；使用設(shè)備：電子掃描顯微鏡+能譜儀。

FTIR紅外分析，異物尤其是有機物分析；使用設(shè)備：傅里葉變換顯微紅外光譜儀；

ICP-OES分析：對金屬牌號鑒定，定量準確。使用設(shè)備：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

6、物相分析：

使用設(shè)備：X射線衍射儀。

7、X射線光電子能譜（XPS） 

XPS 全稱為X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射線光電子能譜）, 是一種使用電子譜儀測量X-射線光子輻照時樣品表面所發(fā)射出的光電子和俄歇電子能量分布的方法。 

1）表面元素定性及含量（Li-U），檢出限0.1%at，能檢測周期表中除氫、氦以外的所有元素。 

2）能夠觀測化學(xué)位移，化學(xué)位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團有關(guān)?；瘜W(xué)位移信息是利用XPS進行原子結(jié)構(gòu)分析和化學(xué)鍵研究的基礎(chǔ)。 

3）元素沿深度方向的分布分析 

4）全譜分析，一般用來說明樣品中是否存在某種元素。比較極端的，對于某一化學(xué)成分完全未知的樣品，可以通過XPS全譜分析來確定樣品中含有哪些元素（H和He除外）。 

譜圖解析：O1s結(jié)合能數(shù)值可以確定，529.9和532.0eV 對應(yīng)于M—OH化合物的特征峰，530.7和531.5eV 對應(yīng)于M—O化合物的特征峰，而533.2eV對應(yīng) H2 O的特征峰。

8、電子背散射衍射分析技術(shù)（EBSD）

EBSD技術(shù)利用電子束與樣品相互作用產(chǎn)生的背散射電子信號，通過分析這些信號來獲取晶體的結(jié)晶學(xué)信息。 

其可做項目：1）織構(gòu)和取向差分析； 2）晶粒尺寸及形狀分布分析； 3）晶界、亞晶及孿晶界性質(zhì)分析； 4）應(yīng)變和再結(jié)晶的分析； 5）相簽定及相比計算等， 

譜圖解析：上層為超大晶粒層，等效晶粒尺寸大于20μm，下層為細晶層0.4~0.5μm。

 9、機械性能分析（硬度、拉伸性能、沖擊性能、彎曲性能等）

10、案例：用魚骨圖法分析螺栓失效