金屬材料及零部件失效分析

| 簡介

隨著科學技術和工業(yè)生產的迅速發(fā)展，人們對機械零部件的質量要求也越來越高。材料質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備非計劃停機與高昂更換成本，更可能導致災難性安全事故與重大環(huán)境風險，并引發(fā)設計方、制造商、用戶及監(jiān)管方的復雜責任爭議。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發(fā)生，從而保證工程的安全運行是必不可少的。

| 相關行業(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行業(yè)。

| 金屬失效分析的意義

1. 減少和預防產品同類失效現(xiàn)象重復發(fā)生，減少經濟損失，提高產品質量；

2. 為裁決事故責任，制定產品質量標準等提供可靠的科學技術依據。

| 常見失效模式

1、變形失效：彈性變形；塑性變形；蠕變；應力松弛 

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；應力腐蝕開裂；腐蝕疲勞；多相腐蝕；氧化；硫化物腐蝕；電化學腐蝕；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、設計不當引起的失效：結構或形狀不合理，構件存在缺口、小圓弧轉角、不同形狀過渡區(qū)等高應力區(qū)，未能恰當設計引起的失效比較常見。總之，設計中的過載荷、應力集中、結構選擇不當、安全系數過小(追求輕巧和高速度)及配合不合適等都會導致構件及裝備失效。分析設計原因引起失效尤其要注意：對復雜構件未作可靠的應力計算；或對構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力分析準確的構件來說，如果只考慮拉伸強度和屈服強度數據的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效，都會在設計上造成嚴重的錯誤。

2、選材不當及材料缺陷：金屬裝備及構件的材料選擇要遵循使用性原則、加工工藝性能原則及經濟性原則，遵循使用性原則是首先要考慮的。使用在特定環(huán)境中的構件，對可預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生的屈服變形或斷裂，應該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度；但對可能產生的脆性斷裂、疲勞及應力腐蝕開裂的環(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構材料，對構件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經濟性也是必須考慮的。

3、制造工藝不合理：金屬裝備及其構件往往要經過機加工(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，則金屬設備或構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)更因在焊接過程經受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉變不同，有可能產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應力等。所有這些缺陷如超過限度則會導致構件以及裝備早期失效。

4、使用操作不當和維修不當：使用操作不當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；缺乏經驗、判斷錯誤；無知和訓練不夠；主觀臆測、責任心不強、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。

使用設備：超景深顯微鏡。

當各斷裂件中，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，則疲勞斷裂件應為首斷件；

當存在兩個或兩個以上的疲勞斷裂件時，低應力疲勞斷裂件出現(xiàn)在前，而大應力疲勞斷裂件出現(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：當存在兩個或兩個以上疲勞斷裂件時，低應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的通孔內部和其他內部缺陷，使用X射線透視系統(tǒng)來檢查。

使用設備：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。使用設備：電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀。

6、物相分析：

使用設備：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）能夠觀測化學位移，化學位移同原子氧化態(tài)、原子電荷和官能團有關。化學位移信息是利用XPS進行原子結構分析和化學鍵研究的基礎。 

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結合能數值可以確定，529.9和532.0eV 對應于M—OH化合物的特征峰，530.7和531.5eV 對應于M—O化合物的特征峰，而533.2eV對應 H2 O的特征峰。

8、電子背散射衍射分析技術（EBSD）

EBSD技術利用電子束與樣品相互作用產生的背散射電子信號，通過分析這些信號來獲取晶體的結晶學信息。 

其可做項目：1）織構和取向差分析； 2）晶粒尺寸及形狀分布分析； 3）晶界、亞晶及孿晶界性質分析； 4）應變和再結晶的分析； 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