失效分析的基本技能

2.3 断口分析术
Griffith公式：
2E f a(1 2 )
现代弹性力学源自对脆性断裂现象的研究。 低温脆性的研究和韧脆转变温度。
一、失效事故现场调查及取样
失效分析开始于调查和取样。 1、现场调查
1）走访和记录。 2）拍照或绘图。
3）服役条件、环境参数。
4）图纸、说明书、工艺参数等。
1）断口颜色
2）断口花纹 3）断口粗糙度
4）断口边缘情况
5）断口位置
断裂方 式
放射性 花纹
韧性断裂 切断
不出现， 在高强度 钢中有时 出现 不出现 不出现 明显
脆性断裂 低温脆性
不太明显
疲劳断裂 低周疲劳
较不明显， 板材上是接 近平行的人 字纹 贝纹线，应 力幅变动大 时明显 较光滑，粗 糙度与裂纹 扩展速度成 正比 白亮色
二、裂纹起始位置分析
1、材料原因引起的裂纹多起源于缺陷处
A、表面缺陷 B、内部缺陷
2、零件形状因素引起的裂纹多起源于尺寸和 形状突变处
3、受力情况引起的裂纹多起源于应力最大处
三、裂纹的宏观外形分析
1、龟裂（多数情况下是沿晶的） 1）铸件龟裂 2）锻件龟裂 3）热处理龟裂 4）焊接龟裂 5）磨削龟裂 6）服役龟裂
45° 倾斜度 （与最 大正应 力夹角）
宏观成直角
直角
直角
裂纹扩展速 度低时成直 角，高时接 近45°
直角
2、宏观照相
照明方式是关键。
Effect of angle of incident light
Effect of light source
Effect of illumination technique
重要机械零件使用前需要进行无损探伤以防 止其带裂纹运行。
一、裂纹分析方法
1、宏观检查
肉眼、无损探伤等
2、裂纹部位分析
与零件尺寸、形状的关系等
3、材质分析
成分、金相、夹杂物、微区组织和成分对应
4、裂纹微观分析
裂纹形态：
穿晶或沿晶，微裂纹或分支，裂纹粗细走向
裂纹周围特征：
晶粒大小、变形，夹杂物、第二相，氧化、 脱碳，加工硬化或特殊回火组织，带状组织等
3、失效诊断
1）诊断依据 产品性能参数与工况。
可靠性统计资料。
失效件残骸分析。
2）诊断思路 失效形式及影响分析法（FMEA） 失效模式及影响危险度分析法（FMECA） 失效树法（FTA） 现象树法（ETA）
3）诊断技术 仪器设备及技术方法
4、失效预防技术
1）对机械设备的性能参数分析、工况监测 技术的研究。 2）产品安全度评定和剩余寿命估算。 3）失效预防图解研究。 4）产品失效维修的原则、技术和方法等。
第二章 失效分析的基本技能
2.1 失效的分类
一、按“失效分析技术”观点分类 便于分析原因。 1、按“失效模式”和“失效机理”分类
失效模式：失效的外在宏观表现形式和规律。
失效机理：引起失效的微观物理化学变化过程和本质。
断裂失效：
韧性断裂 脆性断裂
低温脆断、氢脆、应力腐蚀、疲劳……
非断裂失效：
磨损 腐蚀 变形
正断（纤维区） 缺口脆性
高周疲劳
明显，细纹
弧形迹 线 断口的 粗糙度
不出现
不出现
不出现
贝纹线，应力 幅变动小时不 出现 极光滑，粗糙 度与裂纹扩展 速度成正比 灰黑色，裂纹 扩展速度愈大， 愈近白色
比较光滑
粗糙的木挫粗 齿状
极粗糙
粗糙
色彩
较弱的金 属光泽
灰色熟丝状
白亮色， 接近金属 光泽
结晶状，金 属光泽
四、断口的微观分析
1、光学显微镜 1）直接观察
2）剖面观察
3）复型观察
2、电子金相
分析内容
韧性区大小测定 裂纹扩展速度测定（电镜下加载） 断裂过程及影响因素之间定量关系测定。
1）试样制备
2）电子图像分析 A、宏观-细观-微观区域对应
B、统计性观察 C、排除假象
3）蚀坑分析 4）断口组织分析 5）断口形貌定量分析
2、按其他方法分类
制造工艺：
冷变形、锻造、铸造……
部件类型：
轴件、齿轮、弹簧……
二、按“质量管理”观点分类
便于管理和预防。 1、按失效发展过程 早期失效、偶然失效、耗损失效
Bath tub curve
2、按失效发生速度
突发失效 渐进失效
间歇失效
3、按失效的工程性质
按整体性分为系统失效和部件失效
按可修复性分为暂时失效和永久失效
按相关性分为独立失效和从属失效
三、按“经济法”观点分类
便于划分责任和理赔。 1、按失效责任
产品本质缺陷失效 误用失效
正常耗损失效
外界影响失效
2、按失效后果分类
恶性失效 灾难性失效 退化失效
3、按失效程度分类
完全失效 部分失效
2.2 失效分析的工作内容
一、业务工作 1、产品失效分析： 侦测（detection） 诊断（diagnosis） 事后处理（prognosis） 重点是产品的早期失效、突发性失效 和致命性失效。
2、直线状裂纹
发纹、淬火裂纹、拉痕等
3、其它形状裂纹
环形、周向、辐射状、弧形裂纹等
四、裂纹走向分析
1、应力规则
裂纹通常沿垂直于最大正应力或平行于最大切 应力方向萌生和扩展。
2、强度规则
裂纹总是力图沿阻力最小的路径扩展。
通常，材质均匀时，应力规则起主导作用； 材质明显不均匀时，强度规则起主导作用。
2、产品安全度评定和剩余寿命预测
产品的安全度是指产品在规定时间内和规 定条件下完成规定功能的概率。
重点是重型机械和带缺陷产品。
二、失效分析的研究工作
1、失效物理 从原子和分子的范围来解释元件的材 料的失效现象。 重要的基础理论
2、失效机理
研究失效的物理化学原因（本质）、过程 及其影响因素等。 1）各种失效模式的物理化学本质和过程。 2）应力、温度和介质（外因）对失效过 程的影响。 3）材料成分、组织结构和性能（内因） 对失效过程的影响。
A、韧窝尺寸、形状和第二相质点的数量、尺 寸、形态及分布的关系 B、解理面面积、尺寸、程度与温度、组织及 应力之间的定量关系 C、疲劳条带间距与交变应力幅、应力强度因 子之间的关系
2.4 裂纹分析术
裂纹是不完全断裂缺陷。金属的表面或内部 受应力作用，连续性受到局部破坏，称为 开裂，其表现形式就是裂纹。
三、失效分析的管理和技术反馈
1、建立全国性、部门性、地区性的失效分析和 管理机构。 2、失效分析的技术指导性文件、规程和标准的 颁布和实施。 3、失效事件的分析工作和组织管理。 4、失效研究工作的组织和开展。 5、失效及可靠性数据库和技术反馈系统的建立 和运转。 6、各级失效分析人员的培训和提高。 ……
2、初步判别失效类型及取样
1）判别失效类型 宏观观察 初步判断 制订分析路线 确定取Biblioteka Baidu方案
2）取样 主体试样和辅助试样 损伤区最重要。
二、断口保护和清洗
1、防止断口机械损伤
1）尽早发现裂纹，并监控其发展。 2）搬运和取样过程中注意保护。
2、防止断口化学损伤
3、断口清洗
三、断裂失效的宏观分析
1、观察内容
五、裂纹周围及末端分析
1、裂纹源 2、转折 3、裂纹附近的氧化特征 4、裂纹与工序的关系 5、裂纹两侧形状的耦合性 6、裂纹末端
Effect of illumination technique
Effect of the position of light source
Effect of background
Fractographs at different magnifications
Fractographs at different magnifications