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失效分析

2020-12-16 11:50:36 作者：李瑞峰來源：每天學(xué)點熱處理分享至：

引言：

● 材料按其性能與用途，一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主要特征；功能材料是以物理、化學(xué)等性能為主要特征。二者性能的不同是由微觀結(jié)構(gòu)和元素屬性所決定。

● 材料的失效行為主要取決于微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)的變化。確定不同材料的失效模式、失效機理、失效缺陷與失效起因的相互關(guān)系，是失效分析學(xué)科的核心內(nèi)容。

失效含義：

國標(biāo)GB3187-82《可靠性基本名詞術(shù)語及定義》

的定義

失效：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能，對可修復(fù)產(chǎn)品通常稱為故障。”

◆ 《材料大辭典》的定義*

失效，又稱復(fù)合材料的破壞，指復(fù)合材料在經(jīng)過某些物理、化學(xué)過程后（如載荷作用、材料老化、溫度和濕度變化等）發(fā)生了尺寸、形狀、性能的變化而喪失了規(guī)定的功能。

◆ 《美國金屬學(xué)會手冊》的定義*

按照《ASM Handbook 》的定義，服役的任何

構(gòu)件出現(xiàn)以下三種狀態(tài)之一時即為失效：

（1）完全不能修復(fù)時；

（2）仍可以使用，但不能滿意地達(dá)到規(guī)定的功能時；

（3）受到嚴(yán)重?fù)p傷而不能繼續(xù)安全可靠地使用時。

失效分析的關(guān)系

● 失效分析是要明確失效模式、失效缺陷、失效機理

與失效起因的相互關(guān)系

◆ 失效模式（failure mode）

失效模式是指構(gòu)件失效后的外觀表現(xiàn)形式，即可觀

察到的并可測量的失效的宏觀特征。比如，脆性斷裂、

疲勞開裂、接觸磨損等。

有五種：

（1）斷裂（fracture）

（2）腐蝕（corrosion）

（3）磨損（wear）

（4）變形（distortion）

（5）衰減（attenuation） : 微結(jié)構(gòu)隨時間而漸變?nèi)趸?/span>

金屬材料的失效模式與失效機理的關(guān)系

◆ 失效缺陷（failure defect）

失效缺陷是導(dǎo)致構(gòu)件損壞（損傷）的實際缺陷。比如，裂紋、腐蝕坑、磨損帶、分層等。

◆ 失效機理（failure mechanism）

失效機理是致使構(gòu)件失效所發(fā)生的物理、化學(xué)的變化過程，即失效的微觀機制。例如，腐蝕模式下的電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕、點蝕，等等。

◆ 失效起因（failure cause ）

失效起因是促使失效機理起作用的關(guān)鍵因素。比如，超載、疲勞載荷、電極電位差、微動摩擦等。

● 泰坦尼克號的失效模式、機理、缺陷與起因的關(guān)系

泰坦尼克號是20世紀(jì)初世界上最大的豪華游輪。

它長260m、寬28m、高51m、噸位46328t，可載客3000多人，總耗資7500萬英鎊。船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計采用了雙殼層和十六個相互隔離的水密艙等安全措施，因而當(dāng)時被認(rèn)為是一艘“永不沉沒的”巨輪。

它的處女航是在1912年4月10日從英國南安普頓出發(fā)前往紐約的，航速為22節(jié)，但4月14日晚11:40分在北大西洋與一塊漂浮的大冰山相撞，由于船體左側(cè)六個水密艙全部破裂進(jìn)水，2小時47分后就沉沒了。

船上共有2208人，僅705人獲救，1503人葬生海底，這是迄今為止世界上發(fā)生的最大的海事事故。

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● 事故調(diào)查結(jié)論

在對泰坦尼克號船板備用件進(jìn)行材料性能檢驗后，發(fā)現(xiàn)存在大量的MnS夾雜物，縱橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別是 320C、560C , 而當(dāng)時的水溫是 -20C。

可以推定，泰坦尼克號與冰山相撞時的失效特征是脆性斷裂（失效模式），這是因為船板和鉚釘都含有大量的MnS夾雜物及其他超標(biāo)有害元素P等。船板在冰山的撞擊下夾雜物處就引發(fā)了許多裂紋（失效缺陷），這些裂紋隨后在海浪的持續(xù)作用下發(fā)生了快速疲勞擴展（失效機理），最終導(dǎo)致了船體的斷裂。

因此，泰坦尼克號的失效是由船板和鉚釘內(nèi)大量的MnS 夾雜物和冰山撞擊力的相互作用下發(fā)生的疲勞脆性斷裂而引起的（失效起因）。

失效分析的策略

● 產(chǎn)品質(zhì)量管理法

◆“五要素法”

“人、機、料、法、環(huán)” （4M1E分析法）

◆“六要素法”

“人、機、料、法、環(huán)、測”（5M1E分析法）

● 構(gòu)件的失效分析

分析人員不僅要有材料、工藝、結(jié)構(gòu)、力學(xué)、控制等專業(yè)知識，還要懂得安裝、運行、維護(hù)、環(huán)境等工程知識，同時熟悉標(biāo)準(zhǔn)、規(guī)范、規(guī)程，以及包括心理學(xué)在內(nèi)的一些管理知識。

● 失效的影響因素

（1）材料選用不適

（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計欠妥

（3）制造質(zhì)量一般

（4）安裝方式不當(dāng)

（5）檢測方法常規(guī)

（6）人員操作有誤

（7）維護(hù)過程疏漏

（8）工況介質(zhì)復(fù)雜

（9）外部環(huán)境變化

（10）失效機理不明

（11）防護(hù)措施簡單

（12）管理制度不嚴(yán)

● 失效分析的完整

從技術(shù)角度出發(fā)，一個完整的失效分析應(yīng)該考慮八個方面的影響因素：

（1）設(shè)計（design）

（2）材料（material）

（3）制造（fabrication）

（4）安裝（installation）

（5）檢驗（inspection）

（6）操作（operation）

（7）維護(hù) （maintenance）

（8）環(huán)境（environment）

失效分析的魚骨圖

● 失效分析是事后分析，最好的方法應(yīng)是事前分析，比如， FMEA （Failure Modes and Effect Analysis）、 RBI （Risk-based Inspection）， etc.

變形失效

彈性變形失效----彈性變形過量，雖表面未發(fā)現(xiàn)任何損傷痕跡，但彈性性能已達(dá)不到原設(shè)計要求。例如汽車彈簧，經(jīng)長期使用后松弛性能降低導(dǎo)致不能起緩沖作用塑性變形失效

塑性變形失效----變形量超過極限，不能再使用。經(jīng)長期運轉(zhuǎn)后的汽輪機葉片逐漸伸長發(fā)生塑性變形而與殼體相接觸，使汽輪機不能正常運行。

蠕變變形失效----零件長期在高溫和應(yīng)力作用下，即使小于屈服應(yīng)力也會緩慢地產(chǎn)生塑性變形，這種現(xiàn)象稱為蠕變，當(dāng)蠕變變形量超過規(guī)定數(shù)值后就會失效，甚至產(chǎn)生蠕變斷裂。

高溫松弛失效----零件在高溫下失去彈性功能而導(dǎo)致失效。例如蒸汽輪機的高溫緊固螺栓經(jīng)長期使用發(fā)生松弛，使蒸汽輪機不能正常工作。

斷裂失效----塑性斷裂

塑性斷裂失效：當(dāng)構(gòu)件所承受的實際應(yīng)力大于材料的屈服強度時，將產(chǎn)生塑性變形，應(yīng)力進(jìn)一步增大，就會產(chǎn)生斷裂，稱為塑性斷裂失效。

塑性斷裂的特征：在裂紋或斷口附近有宏觀塑性變形，或者在塑性變形處有裂紋出現(xiàn)；塑性斷裂的一種典型斷口是抗拉試樣的杯錐狀斷口，杯部呈纖維狀特征，錐部呈淺灰色的光滑區(qū)，并與杯部或45o角。塑性斷口微觀形態(tài)主要為韌窩。根據(jù)韌窩的形狀可分析斷裂時所受應(yīng)力的性質(zhì)，如韌窩為等軸，受正應(yīng)力作用，如杯錐狀斷口的杯部。韌窩為拉長呈方向性，受剪切應(yīng)力或撕裂應(yīng)力作用，如杯錐狀斷口的錐部。韌窩的大小與形核數(shù)量、材料韌性、溫度、應(yīng)變速率有關(guān)；材料韌性好、夾雜或第二相粒子少、溫度高、應(yīng)變速率慢則韌窩尺寸大；反之則韌窩尺寸小。

塑性斷裂的原因：通常情況下塑性斷裂是由于外應(yīng)力超過材料的屈服強度所致（材料強度過低或超載）。

韌窩-變形斷面SEM

斷裂失效---脆性斷裂

脆性斷裂是指斷裂前幾乎不產(chǎn)生顯著的塑性變形

按裂紋擴展的路徑分為穿晶脆性斷裂和沿晶脆性斷裂。

解理斷裂----解理斷裂是穿晶脆斷的一種常見的主要斷裂方式。解理斷裂是指在一定的條件下，金屬因受拉應(yīng)力作用而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離。鐵素體鋼的解理面為{100}晶面。

準(zhǔn)解理-脆性斷面SEM

斷裂失效--脆性斷裂---沿晶脆性斷裂

裂紋沿晶粒界面擴展而造成金屬材料的脆斷稱為沿晶脆性斷裂。通常晶界是強化的因素，即晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，只有在晶界被弱化時才會產(chǎn)生沿晶斷裂。

晶界弱化的基本原因----材料本身或環(huán)境介質(zhì)或高溫的作用

*晶界沉淀相造成的沿晶斷裂----由晶界的夾雜和第二相沉淀所造成的，晶界上的析出相通常是不連續(xù)的，呈球狀、棒狀或樹枝狀，晶界沉淀相越多，斷裂應(yīng)力越低

*雜質(zhì)元素在晶界偏聚造成沿晶脆斷----如Ge、Sn、N、P、As、Sb、Bi、S、Se、Te等。低合金鋼的第二類回火脆性（合金鋼在回火后慢冷或在375~560oC等溫產(chǎn)生晶界脆化和沿晶斷裂）。

*環(huán)境介質(zhì)侵蝕而引起的沿晶斷裂----高強度鋼的氫脆、應(yīng)力腐蝕

*高溫下的沿晶斷裂。

斷裂失效----脆性斷裂失效---疲勞斷裂

機械零件在循環(huán)交變應(yīng)力的作用下引起的斷裂稱為疲勞斷裂。在機械構(gòu)件的斷裂失效中，疲勞斷裂所占的比例最高，達(dá)70%以上。

疲勞斷裂的類型----高周疲勞、低周疲勞、熱疲勞、接觸疲勞、腐蝕疲勞、微振疲勞、蠕變疲勞等。

疲勞方式

輪胎花樣

韌窩帶

二次裂紋帶

產(chǎn)生疲勞斷裂的常見原因

材料強度不足引起的疲勞斷裂；

零件結(jié)構(gòu)上有尖角、鍵槽、圓角等應(yīng)力集中區(qū)；

夾雜、疏松、氣孔、微裂紋等材料缺陷；

表面缺陷，如凹坑、折疊、加工刀痕；

熱處理缺陷，如表面脫碳、過熱

疲勞斷口的宏觀特征

疲勞輝紋

腐蝕失效

點腐蝕

縫隙腐蝕

晶界腐蝕

應(yīng)力腐蝕

應(yīng)力腐蝕

腐蝕失效----腐蝕疲勞

氫脆斷口

磨損失效

常見的磨損失效主要有粘著磨損、磨粒磨損、接觸疲勞磨損、微動磨損等

裂源識別法-宏觀分析

我國材料現(xiàn)狀

重點工程急需的材料

國內(nèi)尚不能生產(chǎn)占25%；或不能保障供給占46%；總共達(dá)到 71%

可穩(wěn)定供應(yīng)的材料僅占29%.

許多重點產(chǎn)品不能自主研發(fā)

例如：核電用焊接材料；超超臨界汽輪機轉(zhuǎn)子、內(nèi)缸材料；高性能軸承材料；先進(jìn)復(fù)合材料等。

沖擊試樣的缺口形式對沖擊韌性影響非常大，夏比V形缺口比夏比U形缺口更為尖銳，更能反應(yīng)材料及其內(nèi)部缺陷在動態(tài)載荷下的缺口敏感性。

對于U形試樣，進(jìn)行沖擊試驗時，其沖擊功大部分消耗于裂紋的形成，而對V形缺口試樣，其沖擊功大部分消耗于裂紋的擴展。因此不能夠?qū)⒃瓨?biāo)準(zhǔn)中的AKV沖擊測試改為AKU沖擊測試，這二者是不可比的，更不應(yīng)以此來降低標(biāo)準(zhǔn)。

鋼錠生產(chǎn)工藝

縮孔疏松：圓坯高徑比大、液芯長，無法實現(xiàn)長程補縮，中心存在貫通性縮孔疏松。

宏觀偏析：凝固時間長，存在嚴(yán)重中心缺陷和A型偏析。

大型連鑄大圓坯的典型缺陷

晶粒度

非金屬夾雜物

加熱與冷卻缺陷

磨燒組織

焊接缺陷

縮孔-低倍缺陷

斷口微觀形貌分析

斷口分析：在失效分析中占有十分重要的地位。金屬材料的斷裂除與外部條件如應(yīng)力、環(huán)境介質(zhì)等有關(guān)外，與金屬材料本身的化學(xué)成分、熱處理等有關(guān)。各類顯微斷口形貌的出現(xiàn)基本上對應(yīng)一定的內(nèi)部或外部條件，因此，金屬構(gòu)件斷裂失效后，就可通過對斷口的形貌分析，反過來追溯它斷裂時所處的條件，從而確定斷裂機制及斷裂原因。

電子能譜分析：確定斷口上的微區(qū)成分。

化學(xué)分析