金属失效分析简介

来源:热处理技术图解手册作者:杨满

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金属失效分析简介

文/柏科(华测团队)
1 失效分析简介

      国家标准GB3187中对失效的定义为:“产品终止完成规定功能的能力这样的事件”,规定的功能指:“为提供给定的服务产品所必须具备的功能”,这些规定涵盖国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定,功能涵盖产品的适用性、安全性及其他特性。“规定的功能”既是产品质量的目标,又是产品是否失效的判据。
失效分析是判断产品的失效模式,查找产品失效机理和原因,提出预防再失效对策的技术活动和管理活动。因此,失效分析的主要内容包括:明确分析对象,确定失效模式,研究失效机理,判定失效原因,提出预防措施。
      失效分析不仅是针对失效件进行原因分析的技术活动,还是一项质量管理活动,涉及到设计、生产、使用、维修等各个领域,有效的失效分析常常能从设计合理性,工艺稳定性、产品可靠性、安全性及使用性等方面找到问题点,以便我们进行改进及预防,从根本上提高产品的质量。
20世纪中叶以来,随着微电子技术的异军突起(电子光学、断口学、痕迹学、表面科学、电子金相学等迅猛发展),已经能从微观方面分析产品失效的物理、化学过程,阐明失效本质、规律和原因。在此基础上,失效分析逐步走上了较为系统、综合、理论化的新阶段。

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超景深体式显微镜

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金相显微镜

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场发射扫描电子显微镜


2 失效分析常规方法介绍
2.1 失效背景调查

      背景调查是做好一切工作的基本方法。失效分析首先是对于失效情况的调查,了解它的现状与历史。如要分析某机器零件在使用中损坏的原因,就要调查它的损坏表现,包括损坏的部位、断口的特征、以及和它相邻的零件的情况等,这些是它的现状;它的历史则包括用的是什么材料、经过哪些加工工序、制作中经过哪些项目的质量检验和试验、在安装及使用过程中的情况怎样、损坏时有过什么异常的现象等。
2.2残骸分析
    无论何种机械装备,所有零部件同时损坏的情况非常罕见,更多可能是由于某个别零部件损坏导致的整体破坏,为此需要从破碎或开裂的许多残骸中找到最初损坏的部件。只有通过全面分析,才有可能把残骸上看起来很奇特的各种现象都解释清楚,最终掌握事故的全过程。
2.3宏观分析
    在了解失效背景及找到“肇事件”之后,就开始针对“肇事件”的一系列检查、分析。
通过肉眼或者放大设备对失效零件的金属表面、断面进行观察,能够揭示失效零件的全貌,显示其组织的不均匀性和各种缺陷的形态、分布,对颜色、腐蚀、断裂裂纹的萌生位置及裂纹的走向都能迅速而准确地识别出来。
2.4微观分析
    宏观分析能够获得很多信息,但要了解更多的细节和情况或者验证宏观检查所得出的推论还必须再进行微观观察。例如通过对断口的微观分析,除可以进一步澄清断裂的途径、断裂的性质、环境介质及温度对断裂的影响外,还能进一步确定断裂的原因及断裂机理的详细情况。进行微观分析时,可以用光学显微镜、扫描电镜、能谱仪、X射线衍射仪的仪器来研究。
2.5金相分析
    金相分析是一种常规的试验分析方法,它在失效分析中能提供被检零件材料的大概种类,组织状况,夹杂物的类型、级别和分布,相的类型、大小和分布。从检出的显微组织来推断或证实被检零件在制造过程中经历的工艺过程,以及执行这些工艺是否存在异常;反映出失效件在工作条件下发生的腐蚀、磨损、氧化等,并可初步确定其程度。若失效上存在裂纹,通过光学金相,可以看出裂纹的形态、走向及裂纹两侧的显微组织,从而判断裂纹的性质,提供失效件裂纹的产生原因。
2.6化学成分分析
    在失效分析中,化学成分分析是必不可少的,它能为失效分析提供必要的信息,如由于选材错误而造成失效,只需要用化学成分分析就能得到结果,如果零件因腐蚀而失效,通过腐蚀产物的成分分析就能大致推断出可能接触过哪些腐蚀性物质。
2.7力学性能分析
    对零部件进行失效分析通常要测定材料的硬度和力学性能,由于硬度的测量简便易行,通常是最常用及最有用的力学性能分析手段之一,可以用于估计金属材料的抗拉强度、热处理是否符合要求,检验由于过热、脱碳、渗碳/氮和加工硬化等引起的软化和硬化等。一般来说,强度及硬度不足而引起的损坏例子并不多见,因此,力学性能检查的目的主要是为了排除力学性能引起损坏的顾虑。
2.8综合分析
    综合分析是根据调查研究情况、分析及检查结果、资料和原始数据,对其加以整理、对比、提炼,得出证据充足的有规律的结论。以上分析遵循由此及彼、由表及里、去伪存真,由特殊性到普遍性,由个别到一般的加工、推理、总结、分析原则,对造成金属构件的失效原因进行分析,并提出改进措施。
      3 案例介绍
      3.1失效背景调查
:冷拉拔SUS304钢丝加工的弹簧在装配使用一段时间后,在一侧固定孔处断裂;

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3.2断口分析(宏观及微观分析):为典型的扭转疲劳断口,断口与轴向约呈45°,疲劳起始于与表

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3.3金相分析:非金属夹杂较少,金相组织为变形量极大的纤维组织,与正常样品一致。

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    3.4硬度分析(力学性能分析):与金相组织基本对应,与正常样品一致。
    3.5化学成分分析:所用材料符合SUS304牌号要求。
    3.6综合分析:由分析得知,弹簧本身的质量没有异常,弹簧是由于疲劳断裂导致的失效,疲劳起裂
    起始于表面的一个磨损导致的凹坑,结合弹簧恰好是在固定孔处断裂的,这个凹坑应该是在工作过
    程中与固定孔不断磨损导致,所以与固定孔的磨损是导致本次失效的根本原因,需要从装配及设计
    上进行改进,以避免弹簧工作寿命的减少。
引用文献:
      张栋等.失效分析.北京:国防工业出版社,2008
      王国凡.材料成形与失效.北京:化学工业出版社,2002