失效分析技术基本知识和应用

失效分析技术基本 知识和应用
▪ 引言
一. 断裂失效分析
▪ 机械产品的失效一般可分为非断裂失效与 断裂失效两大类。非断裂失效一般包括磨 损失效、腐蚀失效、变形失效及功能退化 失效等。
▪ 断裂失效是机械产品最主要和最具危险性 的失效,其分类比较复杂,一般有如下几种:
▪ (1)按断裂机理分为、韧窝断裂、蠕变断裂、 解理与准解理断裂、沿晶断裂和疲劳断裂;
▪ 在正常情况下,机载零件的设计都将零 件危险截面处的实际应力控制在材料的 屈服强度以下,一般不会出现韧性断裂失 效。但是,由于机械产品在经历设计、用 材、加工制造、装配直至使用维修的全 过程中,存在着众多环节和各种复杂因素, 因而机械零件的韧性断裂失效至今仍难 完全避免。
▪ 韧性材料的拉伸断口往往呈杯锥状或呈 45°切断的外形，它的塑性变形是以缩 颈的方式表现出来。即断口与拉伸轴向 最大正应力交角是45°。
▪ 脆性材料的拉伸断口一般与最大拉伸正 应力垂直，断口表面平齐，断口边缘通 常没有剪切“唇口”。断口附近没有缩 颈现象。
▪ 韧性材料的扭转断口呈切断型。 断口与扭转正应力交角也是45°。
▪ 脆性材料的扭转断口呈麻花状， 在纯扭矩的作用下，沿与最大主 应力垂直的方向分离。
e．断口上的冶金缺陷
▪ 夹杂、 ▪ 分层、 ▪ 晶粒粗大、 ▪ 白点、白斑、 ▪ 氧化膜 ▪ 疏松、 ▪ 气孔、 ▪ 撕裂等， ▪ 这些冶金缺陷常可在失效件断口上经宏观或微
观观察而发现。
(3) 断口的宏观观察与微观观察
▪ ③剖面观察
▪
截取剖面要求有一定的方
向，通常是用与断口表面垂直的平
面来截取(截取时注意保护断口表
面不受任何损伤)，垂直于断口表
面有两种切法。
▪ ⅰ.平行裂纹扩展方向截取，则可研 究断裂过程。因为在断口的剖面上， 能包含断裂不同的各区域。
▪ ⅱ.垂直裂纹扩展方向截取，在一定 位置的断口削面上，可研究某一特 定位置的区域。
▪ (2)按断裂路径分为穿晶、沿晶和混晶断裂; ▪ (3)按断裂性质分为韧性断裂、脆性断裂和
疲劳断裂。
▪ 在失效分析实践中大都采用这种分类法。
▪ 断裂失效分析是从分析断口的宏观 与微观特征入手,确定断裂失效模式,分析 研究断口形貌特征与材料组织和性能、 零件的受力状态以及环境条件(如温度、 介质等)等之间的关系,揭示断裂失效机理、 原因与规律,进而采取改进措施与预防对 策。
▪ 剖面观察可观察二次裂纹尖端塑 性区的形态、显微硬度变化、合 金元素有无变化情况等。应用剖 面技术，可帮助分析研究断裂原 因和机理之间的关系。
2 韧性断裂失效分析
▪ 2.1 概述 ▪ 韧性断裂又叫延性断裂和塑性
断裂,即零件断裂之前,在断裂部位 出现较为明显的塑性变形。在工程 结构中,韧性断裂一般表现为过载断 裂,即零件危险截面处所承受的实际 应力超过了材料的屈服强度或强度 极限而发生的断裂。
▪ 一般来说，属于剪切型的韧性断裂的剪 切唇比较光滑；而正断型的纤维区则较 粗糙。
▪ 属于脆性断裂的解理断裂形成的结晶状 断口较粗糙，而准解理断裂形成的瓷状 断口则较光滑。
▪ 疲劳断口的粗糙度与裂纹扩展速度有关 (成正比)，扩展速度越快，断口越粗糙。
d. 断口与最大正应力的交角
▪ 不同的应力状态，不同的材料及 外界环境，断口与最大正应力的 交角是不同的。
▪ 又如，钢件断口若是深灰色的金属光泽， 是钢材的原色，是纯机械断口；断口有 红锈是富氧条件腐蚀的 ；断口有黑锈是 缺氧条件腐蚀的 等
b.断口上的花纹
▪ 不同的断裂类型，在断口上留下 不同形貌的花纹。这些花纹是丰 富多彩的，很多与自然景观相似， 并以其命名。
▪ 韧性断裂宏观有纤维状断口，微观上则 多有韧窝或蛇行花样等。
▪ ②断口的微观观察
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▪
用显微镜对断口进行高
放大倍率的观察，用金相显微镜
及扫描电镜的为多。
▪ 断口微观观察包括断口表面的直接 观察及断口剖面的观察。通过微观 观察进一步核实宏观观察收集的信 息，确定断裂的性质、裂源的位置 及裂纹走向、扩展速度，找出断裂 原因及机理等。
▪ 观察时要注意防止片面性；识别 假象、要有真实性；收集的代表 性等。
▪ 脆性断裂有解理特征，断口宏观上有闪 闪发光的小刻画或人字。山形花纹，而 微观上有河流条纹、舌状花样等。
▪ 疲劳断裂断口宏观上有时可见沙滩条纹， 微观上有疲劳辉纹。
c. 断口上的粗糙度
▪ 断口的表面实际上由许多微小的 小断面构成，其大小、高度差决 定着断口的粗糙度。不同材料、 不同断裂方式，其断口粗糙度也 不同。
(2)断口分析的依据
▪ a．断口的颜色与光泽 ▪ 观察断口表面光泽与颜色时，主要观
察有无氧化色的痕迹、有无夹杂物的特殊 色彩与其他颜色。是红锈、黄锈或是其他 颜色的锈蚀灰色的金属光泽、发蓝颜色 (或呈深紫色、紫黑色金属光泽)等。有无 腐蚀是否有深.
▪ 例如，高温工作下的断裂构件，从断口 的颜色可以判断裂纹形成的过程和发展 速度，深黄色是先裂的，蓝色是后裂的； 若两种颜色的距离很靠近，可判断的速 度很快。
1. 断口分析
(1)断口分析的重要性
▪ 在断口上忠实地记录了金属断裂时的全过程， 即裂纹的产生、扩展直至开裂；外部因素对裂 纹萌生的影响及材料本身的缺陷对裂纹萌生的 促进作用；
▪ 同时也记录着裂纹扩展的途径、扩展过程及内 外因素对裂纹扩展的影响。简言之，断口上记 录着与裂纹有关的各种信息，通过对这些信息 的分析，可以找出断裂的原因及影响因素。因 此，断口分析在断裂失效分析中占据着特殊重 要的地位。可以说断口分析是断裂失效分析的 核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引失 效分析少走弯路。
▪ ①断口的宏观观察
▪
指用肉眼、放大镜、低
倍串的光学显微镜(体视显微
镜) ，这是断口分析的第一步和
基础。
▪ 通过宏观观察收集了断口上的宏观信息， 则可初步确定断裂的性质(脆性断裂、 韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂 等)，可以分析裂源的位置和裂纹扩展 方向，可以判断冶金质量和热处理质量 等。
▪ 观察时先用肉眼和低倍率放大镜 观察断口各区的概貌和相互关系， 然后选择细节、加大微细结构。 宏观观察时，尽可能拍照记录。