失效分析

失效分析

第三章 失效分析的基本方法

1. 按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法：（1）审查

设计（2）材料分析（3）加工制造缺陷分析（4）使用及维护

情况分析

2. 系统工程的分析思路方法：（1）失效系统工程分析法的类型

（2）故障树分析法（3）模糊故障树分析及应用

3. 失效分析的程序：调查失效时间的现场；收集背景材料，深入

研究分析，综合归纳所有信息并提出初步结论；重现性试验或

证明试验，确定失效原因并提出建议措施；最后写出分析报告

等内容。

4. 失效分析的步骤：（1）现场调查 ①保护现场 ②查明事故发

生的时间、地点及失效过程 ③收集残骸碎片，标出相对位

置，保护好断口 ④选取进一步分析的试样，并注明位置及取

样方法⑤询问目击者及相关有关人员，了解有关情况 ⑥写出

现场调查报告（2）收集背景材料 ①设备的自然情况，包括设

备名称，出厂及使用日期，设计参数及功能要求等 ②设备的

运行记录，要特别注意载荷及其波动，温度变化，腐蚀介质等

③设备的维修历史情况 ④设备的失效历史情况 ⑤设计图样及

说明书、装配程序说明书、使用维护说明书等 ⑥材料选择及

其依据 ⑦设备主要零部件的生产流程 ⑧设备服役前的经历，

包括装配、包装、运输、储存、安装和调试等阶段 ⑨质量检

验报告及有关的规范和标准。（3）技术参量复验 ①材料的化

学成分 ②材料的金相组织和硬度及其分布 ③常规力学性能

④主要零部件的几何参量及装配间隙（4）深入分析研究（5）

综合分析归纳，推理判断提出初步结论（6）重现性试验或证

明试验

5. 断口的处理：①在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干

燥器内或真空室内保存，以防止锈蚀，并应注意防止手指污染

断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零件尤其是

断口，应采取有效的保护，防止零件或断口的二次污染或锈

蚀，尽可能地将断裂件移到安全的地方，必要时可采取油脂封

涂的办法保护断口。②对于断后被油污染的断口，要进行仔细

清洗。③在潮湿大气中锈蚀的断口，可先用稀盐酸水溶液去除

锈蚀氧化物，然后用清水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干。④

在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产

物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往是非常重要的，因而不

能轻易地将其去掉。

6. 断口分析的具体任务：①确定断裂的宏观性质，是延性断裂还

是脆性断裂或疲劳断裂等。 ②确定断口的宏观形貌，是纤

维状断口还是结晶状断口，有无放射线花样及有无剪切唇等。

③查找裂纹源区的位置及数量，裂纹源的所在位置是在表面、

次表面还是在内部，裂纹源是单个还是多个，在存在多个裂纹

源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等。④确定断口

的形成过程，裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的

速度如何等。⑤确定断裂的微观机理，是解理型、准解理型还

是微孔型，是沿晶型还是穿晶型等。⑥确定断口表面产物的性

质，断口上有无腐蚀产物，何种产物，该产物是否参与了断裂

过程等。

7. 断口的宏观分析（1）最初断裂件的宏观判断 ①整机残骸的失

效分析；②多个同类零件损坏的失效分析；③同一个零件上相

同部位的多处发生破断时的分析。（2）主断面（主裂纹）的

宏观判断 ①利用碎片拼凑法确定主断面；②按照“T”形汇合

法确定主断面或主裂纹；③按照裂纹的河流花样（分叉）确定主裂纹。（3）断裂（裂纹）源区的宏观判断 ①根据不同断裂的特征确定裂纹源区；②将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源区；③根据断口上的光彩程度确定裂纹源区；④断口分边缘情况，观察断口边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和宏观塑性变形等。（4）宏观断口的表象观察与致断原因初判 ①断裂源区和零件几何结构的关系；②断裂源区与零件最大应力截面位置的关系 a.断口表面与最大正应力所在平面相对应，即断口与轴线呈45°螺旋状。此类型断裂位宏观脆性断裂；b.断口表面与最大切应力所在平面相对应，即断口平面与轴线垂直或平行。此类型断裂为宏观韧性断裂；c.断口表面与轴线的夹角远小于45°，即断口既不和最大正应力所在平面相对应，也不和最大切应力所在平面相对应。③裂纹是从一个部位产生还是从几个部位产生的？是从局部部位产生的还是从很大范围产生的？通常情况是，应力数值较小或应力状态较柔时易从一处产生，应力数值较大或应力状态较硬时，易从多处产生；由材料中缺陷及局部应力集中引起的断裂裂纹多从局部产生；存在大尺寸的几何结构缺陷引起的应力集中时裂纹易从大范围产生。④断口表面粗糙度。⑤断口上的冶金缺陷。

8. 断口围观分析内容主要包括断口产物分析及形貌分析两个方

面：①断口的产物分析。②断口的微观形貌分析。

（1）解理断裂

特点：解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面，并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。

微观形貌特征及断裂性质及断裂性质：解理断裂的微观形貌特征主要是河流花样及解理台阶，除此之外，尚有舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样等以及珠光体解理。

致断原因分析：①从材料方面考虑，通常只有冷脆金属才能发生解理断裂。②构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。③只有在平面应变状态（即三向拉应力状态）下才能发生解理断裂，或者说构件的几何尺寸属于厚板情况。④晶粒尺寸粗大。⑤宏观的裂纹存在。

（2）准解理断裂

特点：准解理型断裂是淬火加低温回火的高强度钢较为常见的一种断裂形式，常发生在脆性转变温度附近。准解理断了的断口是有平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。

判别：①在微观范围内，可以看到“解理”断裂和微孔型断裂的混杂现象，即在微孔断裂区内有平坦的小刻面的周围有塑性变形形成撕裂棱的形貌特征。②小刻面的几何尺寸与原奥氏体晶粒的大小基本相当，即断裂单元为一个晶粒大小。③小刻面上的河流花样比解理断裂所看到的要短，且大都源于晶内而中止于晶内。④小刻面上的台阶直接汇合于邻近的由微孔组成的撕裂棱上。

（3）准脆性解理断裂

特点：光滑试件的解理断裂，其宏观表现上一般是脆性的。但对于裂缝试件来说，常常碰到这种情况，在断口的微观分析时，观察到的断裂性质是解理的，但是在宏观断口分析上却可以看到剪切唇。此种解理断裂是在断裂应力大于材料屈服极限的条件下产生的。从工程的意义上说，因其宏观变形量不大，也是宏观脆性的解理断裂。这种断裂称为准脆性解理断裂。

判别：①微观形貌分析时，观察到解理型断裂和微孔型断裂的混合现象；②但与准解理型的混合型断裂不同之处在于，在构件中部平面应变区为解理型断裂，在构件的周边平面应力区位微孔型断裂。