失效分析浅谈

A点的韧窝断口
B点的疲劳条纹
141
142
裂纹两个表面的摩擦痕
5.锅炉蒸发器管漏水
143
锅炉蒸发器管
锅炉蒸发器管
144
弯头穿孔漏水处
145
失效管穿孔处管外壁形貌
146
失效管穿孔处管内壁形貌
147
管壁腐蚀裂纹破断后的截面照片
148
弯管在投影仪中的弧度
149
表1 失效件穿孔部位管壁与直管部位管壁比较
163
164
7.大型挖掘机油阀螺栓断裂
165
166
167
设计图纸螺栓1391/3410D型，为半螺纹螺栓，杆部长40mm， 其中螺纹部分为32mm，光杆部分为8mm。 供应商按客户的螺栓供应要求ISO4762-1997标准，螺栓杆 部长度小于45mm的10M螺栓均为全螺纹螺栓，提供的杆长 40mm的10M全螺纹螺栓符合ISO4762标准。
237
176
案例九A：
0.50～1.65
≤0.10
≤0.025
≤0.025
≤0.30
≤0.250
结果.%
0.645
0.083
0.580
0.182
0.056
0.0046
0.0055
0.140
0.125
175
丝杠螺纹杆处金相组织（螺纹表面）
图7 丝杠螺纹杆处金相组织（芯部）
测试项目
测试位置
结果
HBW5/750
芯部
237
239
3.2 金属断裂典型形貌
等轴韧窝 撕裂韧窝 剪切韧窝

穿晶韧窝断裂
17
18
19
20
21
22
河流花样 解理断裂 舌状花样 扇形花样 鱼骨状花样 准解理断裂——特征：宏观呈脆性，微观有河流花 样（舌状花样）及韧窝与撕裂棱，裂纹由晶内向四 周扩展，不连续。 沿晶断裂 沿晶韧窝断裂 沿晶脆性断裂 （冰糖状断口） 氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆等为冰糖状断口，
低应力疲劳件出现在大应力疲劳件之前;
8
T型法
分叉法
Ⅲ. 主裂纹和裂纹源判断
变形法 氧化颜色法 疲劳裂纹长度法
9
2.3 断口分析


断口获取 对未打开的断口可用同类应力打开,未知应力用 三点应力打开. 使用切割方法时注意断口污染和损伤 断口清洗 常用丙酮+超声波——除去尘埃和油污 AC纸（醋酸纤维膜）剥离——轻微腐蚀断口 10%硫酸+缓蚀剂（1%卵磷脂）+超声波——较 重腐蚀钢制样品 氢氧化钠+高锰酸钾——高温合金高温氧化
44
材料的成分 Ｍo抑制氢扩散，含Ｍo合金钢氢脆倾向小 纯净度与显微组织 材料的纯净度越高，氢脆的倾向越小， 在相同强度水平条件下，正火组织比回火索氏 体的氢淬倾向大。 强度与硬度 紧固件的强度与硬度越高，氢脆的倾向越大。 一般认为，当硬度小于HRC35时，氢脆倾向明显 减小，在严重氢脆环境下，HRC须小于22．

42
淬火开裂失效
•影响因素——材料品质和成型质量、预热处 理方式、淬火加热温度和速度、 淬火冷却速度、回火方式等； •开裂原因——组织应力、热应力； •组织应力——内压外拉，切向力大于轴向力； • 热应力——内拉外压，轴向力大于切向力；
43
氢脆断裂失效
氢脆是一种延迟性破断失效，是在实际 应力远低于材料抗拉强度的条件下，经过使 用一段时间(24h～200h)后仍会发生的零件 实然破断失效． 氢脆断裂微观形貌主要为沿晶断裂，晶粒 表面存在撕裂棱（爪状纹 ）；有的氢脆断口 为准解理． 主要影响因素——材料的成分、纯净度与显 微组织、强度与硬度、应力水平和应力状况、 氢含量以及聚集和扩散的能力等
12
断裂失效分析
1金属过载宏观断口 光滑拉伸圆试样断口三要素： 纤维区位于断口中心区（裂纹源，粗糙）， 剪切唇区位于断口边缘四周（瞬断区），放 射区位于两区之间（失稳区，光滑）。 缺口拉伸圆试样断口三要素： 纤维区位于断口边缘四周（裂纹源）， 中心为瞬断区，之间为放射区。
13
14
15
16
150
椭圆处照 标准已经 不符合
管弯头处焊接端部径向剖开截面照片
151
管截面上部放大
152
裂纹右端腐蚀产物成分
元素 C O Mg 重量百分数 19.02 29.22 0.32 %
Al 2.35
Si 5.81
K 6.96
Ca 1.17
Ti Fe 3.31 31.84
裂纹腐蚀产物成分
153
二次裂纹沿晶扩展照片
45
应力水平和应力状况 应力水平越高，越易发生氢脆。氢脆是 在拉应力下进行的，压应力不会引起氢脆。 氢含量及其来源 氢脆与紧固件中的固溶氢含量水平有关， 但没有临界点。
46
紧固件中氢的来源 热处理——紧固件在保护性（吸热）气氛 的热处理时吸氢，特别在紧固件表面存在 非金属污染物，如残留有润滑剂的磷和硫， 热处理时它们就会扩散到基体里，并形成 三角铁素体，增加了氢的吸收并引起脆裂。 所以热处理前工件必须清洗干净，热处理 后回火以降低工件中的氢含量。 酸洗——氢进入工件的主要环节，工件吸 收的氢量与处理的时间平方成正比；溶液 PH值越小，工件氢饱和量越高；工件表面 光洁度越高，氢越易进入工件内。因此高 强度的紧固件不能酸洗（喷砂）
104
105
106
107
108
109
2、架桥机螺栓裂纹检测
某批次螺栓的材料牌号为20MnTiB，客户要求 确定该批紧固件（见下图）的裂纹性质.
110
111
实际使用的材料不 符合
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
裂纹形貌
裂纹从表面开始
裂纹从内部开始
裂纹分叉，有较多的二次裂纹
裂纹源可能有一个或多个
裂纹几乎不分叉，有二次裂纹
裂纹源可能有一个或多个
49
螺栓断裂照片
50
过载塑坑断口
51
52
过载断裂螺栓
53
过载断裂螺栓
过载断裂螺栓
54
过载解理断口
55
56
57
58
过热断口
59
60
61
154
表2 失效管材质的夹杂物评级结果
A
B
C
D
DS
细
0
粗
0
细
0
粗
0
细
0
粗
0
细
0.5
粗
0 0
155
6.消防水管断裂
156
157
支撑水管三角铁架墙面开裂
158
159
断裂部位为管卡连接的管口凹槽处
160
断口切应力作用下层片状形貌
准解理+少量韧窝断口
161
水管凹槽处表面形貌
162
水管凹槽剖面图
92
93
94
95
96
97
98
断口表面金相组织 回火马氏体+碳化物+残余奥氏体
99
断口中心部位金相组织 回火（板条）马氏体+铁素体
100
涡杆齿部近表面金相组织 回火马氏体+屈氏体（黑色）HV0.3716（平均）
101
涡杆齿心部金相组织 铁素体+少量马氏体（HV1.0294）
102
103
168
169
图纸规定该螺栓应施加57Nm的预紧力，实际装配时的预紧力为 42Nm，仅为规定值的74%。
170
8.丝杠断裂
171
172
173
174
元素
碳（C）
硅（Si）
锰（Mn）
铬（Cr）
钼（Mo）
硫（S）
源自文库
磷（P）
镍（Ni）
铜（Cu）
要求.%
0.95～1.05
0.15～0.35
0.25～0.45
失效件穿孔部位管壁与直管部位管壁比较 穿孔部位 管壁 （mm） 上沿左侧 上沿中部 3.13 3.22 中部左侧 中部 3.20 裂纹 上沿右侧 3.17 中部右侧 3.32
下沿左侧 下沿中部 3.11 3.14
下沿右侧 3.32
直管部位 管壁(mm)
2.91, 2.97, 2.93, 2.99, 3.02, 3.03,3.02,,2.99,2.96,3.00
-196
448
848
52
25
6
平面应力和平面应变


平面应力：裂纹体薄板的受拉状态，裂纹扩展的抗力较高， 滑移较容易，裂纹沿最大切应力方向发展，断 口呈斜断口； 平面应变：裂纹体厚板的受拉状态，裂纹扩展的抗力较低， 裂纹将沿垂直于正应力方向扩展，断口为平直 断口；
7
Ⅱ. 首断件判断 在同一事故不同断裂件中: 一般脆性断裂件发生在前,延性断裂发生在后; 疲劳断裂件发生在脆性断裂件前;
23
24
25
26
准解理断口
27
28
氢脆断口
渗碳件断裂
29
渗碳件断裂放大
30
黄铜焊接杆断口上的富铅相
31
疲劳断裂 特点：脆断，最大交变应力值远低于材料静强度值。 断裂过程：裂纹萌生——稳定扩展——失稳扩展 稳定扩展 第一阶段：深度浅、切应力、45º 两阶段 第二阶段：与正应力垂直、疲劳辉纹 疲劳辉纹：易出现于延性材料、面心立方金属。 疲劳源区：源（次）表面台阶、色深、光滑 宏观断口 扩展区：较平坦、疲劳弧线（高周疲劳） 瞬断区：面积小，载荷小或韧性好； 靠近中心，外载较大。
K1c K1
断裂韧性
裂纹扩展判据： K1c ≥
5
钢材牌号 45# 16MnR 15MnVR 40CrNiMo
试验温度/℃ 0 室温 室温 室温
σs MPa 260 360 475～500 1500
K1c/ MPa m 84～91 130～149 97～105 47
1Cr18Ni9
1Cr18Ni9
-101
10

断口宏观分析 使用放大镜和体视显微镜观察： 裂纹源——放射花样及人字纹 粗糙程度——大，剪切比例大；小，晶间断裂、 解理断裂作用大 断口光泽——反映断口的氧化、疲劳、磨损、 解理等情况 断口的倾斜角——与应力状态有关 断口特征区的大小和分布
11

断口微观分析
直接观察（扫描电镜）： 照片包括：断口全貌照片——断裂源区照片——扩展 区、瞬断区 的特征照片；重要区域要有 不同放大倍数照片。 间接观察（复型法）： 使用AC纸在断口表面复制断口型貌在光镜 或透镜下观察，为增加成像衬度可蒸镀铬 或铝。

32
33
34
35
36
37
38
39
四、紧固件失效分析


40
紧固件的主要失效形式
• 过载断裂和疲劳断裂失效 • 淬火开裂失效 • 氢脆断裂失效
• 应力腐蚀断裂失效
41
过载断裂、疲劳断裂失效
强度等级—— σ-1 ≈ 0.5σb； 材料品质——夹杂物等级、带状组织等级、 冶金缺陷、纯净度等； 表面质量——粗糙度、尺寸精度； 成型质量——锻造流线分布、轧制裂纹、过热 过烧等； 金相组织——组织类型、组织晶粒大小、脱碳 增碳、回火程度等 安装方式
62
淬火裂纹
63
64
65
66
67
68
69
氢脆断口
70
71
72
应力腐蚀断裂
73
74
自攻螺栓断裂
75
76
77
78
螺栓疲劳断裂
79
80
81
汽车连杆断裂
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
失效分析实例
1.车前轮窝杆断裂
某汽车部件小齿轮轴发现有2件发生断裂 （见下图），断裂部位为轴的退刀槽处.该公 司反映该轴每件均需经过扭力实验测定,但经 过装配出厂后汽车用户发现这两失效件发生零 公里断裂. 小齿轮轴材料为20Cr,热处理工艺 为:880℃碳氮共渗,790℃淬火,140℃90分钟回 火，渗碳层深度为0.3～0.6mm.
失效分析浅谈
1
研究内容：
分析对象——失效模式——失效 机理——失效原因——预防措施
2
分 类
3
裂纹分析
断裂韧性 Ⅰ. 力学基础的几个概念 平面应力 平面应变
4
断裂韧性
裂纹体的三种变形模式
I型 张开型
Ⅱ型 滑开型
K1=σ（a）1/2 K1c=σc（ac）1/2
Ⅲ型
撕开型
K
裂纹尖端应力强度因子
47
阴极除油——阴极除油的速度较快，但阴极
除油过程会产生大量的氢原子渗氢。因此阴 极除油宜采用大电流短时处理，σb大于 1450MPa的工件需采用阳极除油法。 电镀——镀锌时有析氢现象，但锌层会阻止 氢的渗入，同样镀锌前有氢的渗入则氢不易 逸出。因此初始电镀电流要大，镀层不能太 厚（小于8цm ），硬度大于HRC49则不适合 使用电镀 。 电镀后必须在钝化前进行烘烤除氢，工 件强度越高，间隔时间越长（一般小于4小 时）、烘烤时间越长。
3.大型粉碎设备青铜盘和钢盘摩擦副磨损失效
126
127
128
129
钢盘凹磨损面和腐蚀产物照片
青铜凸磨损曲面扫描电镜照片
130
131
132
钢盘的带状组织
133
4.滤清器密封圈座失效分析
134
135
136
137
138
密封圈座下表面主裂纹附近的微观裂纹
139
裂纹打开后的形貌
140
48
应力腐蚀断裂失效
特征 应力与环境 应力腐蚀
必须有拉应力 存在对材料敏感的化学介质．
氢脆
不一定有拉应力 必须含有氢，强度越高，所需的
含氢量越低即可发生断裂． 断口形貌
脆性断口 脆性断口
多呈沿晶断裂，有时出现解理
断口为沿晶断裂，呈冰糖状断口，
断裂．
腐蚀时间长，断口有泥状花样
晶面上有撕裂棱，有时出现（准） 解理断裂