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1、失效分析技术基本知识和应用一. 断裂失效分析引言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;(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
2、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。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。(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
3、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。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
4、。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。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
5、正应力的交角是不同的。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断口的宏观观察 指用肉眼、放大镜、低倍串的光
6、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。断口的微观观察 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
7、防止片面性；识别假象、要有真实性；收集的代表性等。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。.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。.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。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
8、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。 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。2.2 韧性断裂机理与典型形貌 工程材料的显微结构复杂,特定的显微结构在特定的外界条件(如载荷类型与大小,环境温度与介质)下有特定的断裂机理和微观形貌特征。金属零件韧性断裂的机理主要是滑移分离和韧窝断裂。2.2.1 滑移分离韧性断
9、裂最显著的特征是伴有大量的塑性变形,而塑性变形的普遍机理是滑移,即在韧性断裂前晶体产生大量的滑移。过量的滑移变形会出现滑移分离,其微观形貌有滑移台阶、蛇形花样和涟波等。因此有必要对滑移分离加以叙述。 (1)滑移带 晶体材料的滑移面与晶体表面的交线称为滑移线,滑移部分的晶体与晶体表面形成的台阶称为滑移台阶。由这些数目不等的滑移线或滑移台阶组成的条带称为滑移带。确切地说,目前人们将在电镜下分辨出来的滑移痕迹称为滑移带。滑移带中各滑移线之间的区域为滑移层,滑移层宽度在550nm之间。随着外力的增加,一方面滑移带不断加宽,另一方面,在原有的滑移之间还会出现新的滑移带。金属材料滑移的一般规则是:滑移方向
10、总是原子的最密排方向;滑移通常在最密排的晶面上发生;滑移首先沿具有最大切应力的滑移系发生。 (2)滑移的形式 晶体材料产生滑移的形式是多种多样的,主要有一次滑移、二次滑移、多系滑移、交滑移、波状滑移、滑移碎化和滑移扭折等。(3)滑移分离断口形貌 滑移分离的基本特征是:断面呈45角倾斜;断口附近有明显的塑性变形;滑移分离是在平面应力状态下进行的。滑移分离的主要微观特征是滑移线或滑移带、蛇形花样、涟波花样和延伸区。 典型的滑移线形貌电子显微镜下观察到的滑线形貌,是多系滑移留下的微观痕迹。蛇形滑移花样蛇形花样,多晶体材料受到较大的塑形变形产生交滑移,而导致滑移面分离,形成起伏弯曲的条纹,通常称为蛇形
11、滑移花样涟波形貌变形程度加剧,则蛇形滑移花样因变形而平滑化,形成“涟波”花样2.2.2 韧窝断裂 韧窝是金属韧性断裂的主要特征。韧窝又称作迭波、孔坑、微孔或微坑等。 韧窝是材料在微区范围内塑性变形产生的显微空洞,经形核、长大、聚集,最后相互连接导致断裂后在断口表面留下的痕迹。 虽然韧窝是韧性断裂的微观特征,但不能仅仅据此就作出韧性断裂的结论,因为韧性断裂与脆性断裂的主要区别在于断裂前是否发生可察觉的塑性变形。即使在脆性断裂的断口上,个别区域也可能由于微区塑变而形成韧窝。典型的韧窝形貌典型的韧窝形貌(1)韧窝的形成 韧窝形成的机理比较复杂,大致可分为显微空洞的形核、显微空洞的长大和空洞的聚集三个
12、阶段。图为微孔聚集模型(其典型形貌见图图为第二相粒子形核模型。(2)韧窝的形状 韧窝的形状主要取决于所受的应力状态,最基本的韧窝形状有等轴韧窝、撕裂韧窝和剪切韧窝三种等轴韧窝是在正应力作用下形成的。在正应力的作用下,显微空洞周边均匀增长,断裂之后形成近似圆形的等轴韧窝。剪切韧窝是在切应力作用下形成的,通常出现在拉伸或冲击断口的剪切唇上,其形状呈抛物线形,匹配断面上抛物线的凸向相反。撕裂韧窝是在撕裂应力的作用下形成,常见于尖锐裂纹的前端及平面应变条件下低能撕裂断口上,也呈抛物线形,但在匹配断口上,撕裂韧窝不但形状相似,而且抛物线的凸向也相同。在实际断口上往往是等轴韧窝与拉长韧窝共存,或在拉长韧窝
13、的周围有少量的等轴韧窝。等轴韧窝剪切韧窝撕裂韧窝拉长韧窝(3)韧窝的大小 韧窝的大小包括平均直径和深度,深度常以断面到韧窝底部的距离来衡量。影响韧窝大小的主要因素有第二相质点的大小与密度、基体塑性变形能力、硬化指数、应力的大小与状态及加载速度等。通常对于同一材料,当断裂条件相同时,韧窝尺寸愈大,表征材料的塑性愈好。2.3 韧性断裂的宏观与微观特征2.3.1 韧性断裂的宏观特征零件所承受的载荷类型不同断口特征会有所差异,但基本的断裂特征是相似的。以拉伸载荷造成的韧性断裂为例,其断裂的宏观特征主要有:(1)断口附件有明显宏观塑性变形。(2)断口外形呈杯锥状。杯底垂直于主应力,锥面平行于最大切应力,
14、与主应力成45角;或断口平行于最大切应力,与主应力成45的剪切断口。(3)断口表面呈纤维状,其颜色呈暗灰色。2.3.2 韧性断裂的微观特征韧性断裂的微观特征主要是在断口上存在大量的韧窝。不同加载方式造成的韧性断裂,其断口上的韧窝形状是不同的。然而,只有通过电镜(主要是扫描电镜)观察才能做出准确的判断。需要指出的是:(1)在断口上的个别区域存在韧窝,不能简单地认为是韧性断裂。这是因为,即使在脆性断裂的断口上,个别区域也可能产生塑性变形而存在韧窝。(2)沿晶韧窝不是韧性断裂的特征,沿晶韧窝主要是显微空穴优先在沿晶析出的第二相处聚集长大而成。2.4 金属零件韧性断裂失效分析2.4.1 韧性断裂失效分
15、析的判据根据上述韧性断裂的宏观与微观特征,在实际的失效分析中,判断金属零件是否是韧性断裂的主要判据是:(1)断口宏观形貌粗糙,色泽灰暗,呈纤维状;边缘有与零件表面呈45的剪切唇;断口附近有明显的塑性变形,如残余扭角、挠曲、变粗、缩颈和鼓包等。(2)断口上的微观特征主要是韧窝。2.4.2 引起零件韧性断裂失效的载荷性质分析 由于不同类型载荷所造成的韧性断裂其断口特征不同,因此反过来可根据零件断口宏、微观特征来分析判定该零件所受载荷的类别。(1)拉伸载荷引起的韧性断裂,宏观断口往往呈杯锥状或呈45切断外形,断裂处一般可见缩颈,断口上具有大面积的韧窝,且大都呈等轴韧窝或呈轻微拉长韧窝。(2)扭转载荷
16、引起的韧性断裂,宏观断口大都呈切断型,微观上是拉长韧窝,匹配面的韧窝拉长方向相反。(3)冲击载荷引起的韧性断裂,在宏观上有冲击载荷作用留下的痕迹,断口周边有不完整的45唇口,微观上呈撕裂拉长韧窝,匹配面上的韧窝拉长方向相同。 韧性断裂原因分析与预防金属零件韧性断裂的本质是零件危险截面处的实际应力超过材料的屈服强度所致。因此,下列因素之一均有可能引起金属零件韧性断裂失效。(1)零件所用材料强度不够。(2)零件所承受的实际载荷超过原设计要求。(3)零件在使用中出现了非正常载荷。(4)零件存在偶然的材质或加工缺陷而引起应力集中,使其不能承受正常载荷而导致韧性断裂失效。(5)零件存在不符合技术要求的铸
17、造、锻造、焊接和热处理等热加工缺陷。为了准确地找出引起零件韧性断裂失效的确切原因,需要对失效件的设计、材质、工艺和实际使用条件进行分析,针对分析结果采取有针对性的改进与预防措施,防止同类断裂失效再次出现。3 脆性断裂失效分析3.1 概述工程构件在很少或不出现宏观塑性变形(一般按光滑拉伸试样的5%)情况下发生的断裂称作脆性断裂,因其断裂应力低于材料的屈服强度,故又称作低应力断裂。由于脆性断裂大都没有事先预兆,具有突发性,对工程构件与设备以及人身安全常常造成极其严重的后果。因此,脆性断裂是人们力图予以避免的一种断裂失效模式。尽管各国工程界对脆性断裂的分析与预防研究极为重视,从工程构件的设计、用材、
18、制造到使用维护的全过程中,采取了种种措施,然而,由于脆性断裂的复杂性,至今由脆性断裂失效导致的灾难性事故仍时有发生。 脆性断裂失效的表现形式主要有:(1)由材料性质改变而引起的脆性断裂,如兰脆、回火脆、过热与过烧致脆、不锈钢的475脆和相脆性等。(2)由环境温度与介质引起的脆性断裂,如冷脆、氢脆、应力腐蚀致脆、液体金属致脆以及辐照致脆等。(3)由加载速率与缺口效应引起的脆性断裂,如高速致脆、应力集中与三应力状态致脆等。 脆性断裂的宏观特征金属构件脆性断裂,其宏观特征虽随原因不同会有差异,但基本特征是共同的。(1)断裂处很少或没有宏观塑性变形,碎块断口可以拼合复原。(2)断口平坦,无剪切唇,断口
19、与应力方向垂直。(3)断裂起源于变截面,表面缺陷和内部缺陷等应力集中部位。(4)断面颜色有的较光亮,有的较灰暗。光亮断口是细瓷状,对着光线转动,可见到闪光的小刻面;灰暗断口有时呈粗糙状,有时呈现出粗大晶粒外形。(5)板材构件断口呈人字纹放射线,放射源为裂纹源,其放射方向为裂纹扩展方向.(6)脆性断裂的扩展速率极高,断裂过程在瞬间完成,有时伴有大响声。板材构件脆性断口宏观特征 脆性断裂机理与微观特征3.4.1 解理断裂 解理断裂是金属在正应力作用下,由于原子结合键被破坏而造成沿一定晶体学平面(即解理面)快速分离。解理面一般是表面能量最小的晶面。常见的解理面见表1。面心立方晶系的金属及合金,在一般
20、情况下,不发生解理断裂。 1) 解理裂纹的萌生与扩展(1)解理裂纹形核的位置 解理裂纹大都在有界面存在的地方及位错易于塞积的地方(例如晶界、亚晶界、孪晶界、杂质及第二界面)形核。(2)解理裂纹的萌生 解理裂纹萌生的模型有位错单向塞积、位错双向塞积、位错交叉滑移和刃型位错合并等。它们都是建立在解理生核之前存在变形这一前提之下。如果位错塞积处不产生塑性变形,则由于应力集中加大而会导致裂纹的萌生。除位错塞积机制外,还有位错反应机制。该机制认为,在适当的条件下,柏氏矢量较小的位错相互反应生成柏氏矢量较大的位错,大位错像楔子一样塞入解理面,将其劈开。(3)解理裂纹的扩展 解理裂纹形成后能否扩展至临界长度
21、,不仅取决于应力大小和应力状态,而且还取决于材料的性质和环境介质与温度等因素。2) 解理裂纹的微观形貌特征解理裂纹区通常呈典型的脆性状态,不产生宏观塑性变形。宏观断口解理小刻面是解理断裂的典型特征。解理断口上的小刻面即为结晶面,呈无规则取向。当断口在强光下转动时,可见到闪闪发光的特征。典型的解理小刻面上有以下微观特征:解理台阶、河流花样、舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及瓦纳线等。图中A区域以及B区域所指的河流花样中的每条支流都是解理台阶。图中A区域以及B区域所指的河流花样中的每条支流都是解理台阶。解理断口上见到的小刻面特征。在多晶体中,由于每个晶粒的取向不同,尽管宏观断口表面与最大拉伸应力方向
22、垂直,但在微观上每个解理小刻面并不都是与拉力方向垂直。(1)解理台阶 解理裂纹与螺位错相交割而形成台阶。设晶体存在一个螺位错,当解理裂纹沿解理面扩展时,与螺位错交截,产生一个高度为柏氏矢量的解理台阶,如下图所示。 解理台阶的形成过程示意图(a) 裂纹AB向螺位错CD扩展(b) 裂纹与螺位错CD交割,形成台阶(a) 异号台阶汇合 (b) 同号台阶汇合图5 解理台阶相互汇合示意图解理台阶形成的途径主要有两种:一种是解理台阶在裂纹扩展过程中,要发生合并与消失或台阶高度减小等变化,如下图所示。其中图a表示具有相反方向的解理台阶,合并后解理台阶消失;图b表示具有相同方向的解理台阶,合并后解理台阶增加;(
23、a) 通过次解理而形成台 (b) 通过撕裂而形成台阶 通过次生解理或撕裂而形成台阶通过次生解理撕裂的方式形成台阶。两个相互平行但处于不同高度上的解理裂纹可通过次生解理或撕裂的方式互相连接而形成台阶(2)河流花样 解理裂纹扩展过程中,台阶不断地相互汇合,便形成了河流花样。河流花样是解理断裂的重要微观形貌特征。在断裂过程中,台阶合并是一个逐步的过程。许多较小的台阶(即较小的支流)到下游又汇合成较大的台阶(即较大的支流。河流的流向恰好与裂纹扩展方向一致。所以根据河流花样的流向,判断解理裂纹在微区内的扩展方向。河流花样形成示意图(3)舌状花样 解理舌是解理面上的典型特征之一,它的显微形貌为舌状,见下图
24、。解理舌的形成与解理裂纹沿变形孪晶与基体之间的界面扩展有关。此种变形孪晶是当解理裂纹以很高的速度向前扩展时,在裂纹前端形成的。(4)其它花样 扇形花样,在很多材料中,解理面并不是等轴的,而是沿着裂纹扩展方向伸长,形成椭圆形或狭长形的特征,其外观类似扇形或羽毛形状;鱼骨状花样,在解理面上,有时可以见到类似于鱼骨状花样。舌状花样3.5 准解理断裂准解理断裂是介于解理断裂和韧窝断裂之间的一种过渡断裂形式。准解理的形成过程如下图所示。首先在不同部位(如回火钢的第二相粒子处),同时产生许多解理裂纹核,然后按解理方式扩展成解理小刻面,最后以塑性方式撕裂,与相邻的解理小刻面相连,形成撕裂棱。准解理断口与解理
25、断口的不同之处在于:(1)准解理断裂起源于晶粒内部的空洞、夹杂物和第二相粒子,而不像解理断裂那样,断裂起源于晶粒边界或相界面上。(2)裂纹传播的途径不同,准解理是由裂源向四周扩展,不连续,而且多是局部扩展。解理裂纹是由晶界向晶内扩展,表现河流走向。(3)准解理小平面的位向并不与基体(体心立方)的解理面100严格对应,相互并不存在确定的对应关系。(4)在调质钢中准解理小刻面的尺寸要大得多,它相当于淬火前的原始奥氏体晶粒尺度。准解理断口宏观形貌比较平整。基本上无宏观塑性或宏观塑性变形较小,呈脆性特征。其形貌有河流花样、舌状花样及韧窝与撕裂棱等。3.5 沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂,它是多晶体沿不同
26、取向的晶粒所形成的沿晶粒界面分离,即沿晶界发生断裂。在通常情况下,晶界的键合力高于晶内,断裂扩展的路径不是沿晶而是穿晶,如前述的韧窝型断裂和解理断裂等。但如果热加工工艺不当,造成杂质元素在晶界富集或沿晶界析出脆性第二相、或因温度过高(加工温度与使用温度)使晶界弱化、或因环境介质沿晶界浸入金属基体等因素出现时,晶界的键合力被严重削弱,往往在低于正常断裂应力的情况下,被弱化的晶界成为断裂扩展的优先通道而发生沿晶断裂。沿晶断裂的路线一般沿着与局部拉应力垂直的晶界进行。按断面的微观形貌,通常可将沿晶断裂分为沿晶韧窝断裂和沿晶脆性断裂。(1)沿晶韧窝断裂是由晶界沉淀的分散颗粒作为裂纹核,然后以剪切方式形
27、成空洞,最后空洞连接形成的细小韧窝而分离。这种沿晶断裂又称微孔聚合型沿晶断裂或沿晶韧断。(2)沿晶脆性断裂是指在断后的沿晶分离面平滑、干净及无微观塑性变形特征,往往呈现冰糖块形貌。这种沿晶断裂又叫沿晶光面断裂或非微孔聚合型沿晶断裂。回火脆、氢脆、应力腐蚀、液体金属致脆以及因过热、过烧引起的脆断断口大都为沿晶光面断裂特征;而蠕变断裂、某些高温合金的室温冲击或拉伸断口往往为沿晶韧窝形貌。另外还有两种情况也属沿晶断裂范畴。一是沿结合面发生的断裂,如沿焊接结合面发生的断裂;二是沿相界面发生的断裂,如在两相金属中沿两相的交界面发生的断裂。 沿晶韧性断裂 沿晶脆性断裂沿晶面上具有线痕(鸡爪痕)特征的沿晶断
28、裂是氢脆断裂的典型形貌4 脆性断裂失效分析与预防4.1 脆性断裂起源走向及载荷性质的判断在了解和掌握上述脆性断裂宏观与微观特征的基础上,只要对实际断裂失效件进行深入细微的观察,并加以综合分析,就可以得出失效件是否属于脆性断裂。但在失效分析中,准确地说明失效性质(模式)只是第一步,重要的是要分析引起失效的原因。(1)断裂起源和走向 脆性断裂的宏观断口大都呈放射状撕裂棱或呈人字纹花样。放射状撕裂棱的放射源即为断裂的起源,放射状撕裂棱的方向即为断裂走向。同样,人字纹的交点为断裂起源处,反向即为断裂走向(见图1)。当构件有缺口时,则相反,人字纹尖顶方向为裂纹的扩展方向。(2)载荷性质的判断 由拉伸载荷
29、导致的脆断,其断口平齐,并与拉应力垂直,一般呈无定型粗糙表面,或呈现出晶粒外形;由扭转载荷导致的脆断,其断口呈麻花状,也呈无定型粗糙表面,或呈现晶粒外形;由冲击载荷导致的脆断,断面有放射条纹或人字纹花样;由压缩载荷造成的脆断,断口一般呈粉碎性条状,有时呈45切断形状,且无塑性变形。4.2 引起脆性断裂失效的原因4.2.1 引起解理断裂的原因引起解理断裂的主要因素有环境温度、介质、加载速度、材料的晶体结构、显微组织和应力大小与状态等。(1)环境温度 环境温度影响解理裂纹扩展时所吸收能量的大小,随着温度的降低,解理裂纹扩展时所吸收的能量较小,更容易导致解理断裂。(2)加载速度 加载速率不同,不仅影
30、响解理裂纹扩展应力的大小,而且还影响材料应变硬化指数。在高应变速率下,有利于解理断裂发生。(3)材料的种类、晶体结构及冶金质量对断裂起着重要的作用 在通常情况下所遇到的解理断裂,大多数都是属于体心立方和密排六方晶体材料,而面心立方晶体材料只有在特定的条件下才发生解理断裂。即使体心立方晶体材料,由于显微组织不同,其解理断裂的形貌特征也不相同。材料的显微缺陷或第二相粒子等分布在解理面上,则有利于解理断裂的发生。如氢集聚在100面,将产生氢解理断裂。4.2.2 引起沿晶脆断的原因(1)晶界沉淀相引起的沿晶断裂 由晶界沉淀相导致的沿晶断裂,大多属于沿晶韧窝断裂,包括微量元素形成的第二相质点沿晶界析出;
31、缓冷引起第二相质点沿晶界析出;过热引起第二相质点沿晶界析出;无析出区沿晶界分布。(2)杂质元素在晶界偏聚引起的沿晶断裂 某些杂质元素在晶界上偏聚而导致沿晶脆断的主要因素有:第一类回火脆,某些高强度合金钢在200350回火时,氮、磷、硫和砷等元素易在晶界上偏聚而引起沿晶脆断;第二类回火脆(可逆回火脆)。某些高强钢淬火后,如在450550长时间停留,或冷却时以较慢的速度通过此温度范围,杂质元素(如锑、锡、磷和硫等)在晶界偏聚,会导致沿晶脆断。4.3 预防脆性断裂失效的措施(1)设计上的措施 应保证工程构件的工作温度高于所用材料的脆性转变温度,避免出现低温脆断;结构设计应尽量避免三向应力的工作条件,
32、减少应力集中。(2)制造工艺的措施 应正确制订和严格执行工艺规程,避免过热、过烧、回火脆、焊接裂纹及淬火裂纹;热加工后应及时回火,消除内应力,对电镀件应及时而严格地进行除氢处理。(3)使用上的措施 应严格遵守设计规定的使用条件,如使用环境温度不得低于规定温度;使用操作应平稳,尽量避免冲击载荷。二. 裂纹分析裂纹是一种不完全断裂的缺陷，裂纹的存在不仅破坏了金屑的连续性，而且裂纹尖端大多很尖锐，引起应力集中，促使构件在低应力下提前破断。裂纹分析的目的是确定裂纹的位置及裂纹产生的原因。裂纹形成的原因往往是复杂的，如设计上的不合理、选材不当、材质不良、制造工艺不当以及维护和使用不当等均有可能导致裂纹的
33、产生。因此，金属的裂纹分析是一项十分复杂而细致的工作。它往往需要从原材料的冶金质量、材料的力学性能、构件成形的工艺流程和每道工序的工艺参数、构件的形状及其工作条件以及裂纹宏观和微观的特征等方面做综合的分析。它牵涉到多种技术方法和专门知识，如无损探伤、化学成分分析、力学性能试验、金相分析、x射线微区分析等。(1)金属裂纹的基本形貌特征裂纹两侧凹凸不平，耦合自然。即使裂纹经变形后局部变钝或某些脆性合金致使耦合特征不明显，但完全失去耦合特征是罕见的。同时这种耦合特征是与主应力性质有关的；若主应力属切应力则裂纹一般呈平滑的大耦合；若主应力属拉应力则裂纹一般呈锯齿状的小耦合。除某些沿晶裂纹外，绝大多数裂
34、纹的尾端是尖锐的。裂纹具有一定的深度，深度与宽度不等，深度大于宽度裂纹有各种形状，直线状、分枝状、龟裂状、辐射状、环形状、弧形状，各种各样的形状往往与形成的原因密切相关。(2)裂纹的宏观检查裂纹的宏观检查的主要目的是确定检查对象是否存在裂纹。裂纹的宏观检查，除通过肉眼进行直接外观检查和采取简易的敲击测音法外，通常采用无损探伤法，如X射线、磁力、渗透着色、超声波、荧光等物理探伤法检测裂纹是常用的方法。随着声发射技术发展，正在运行的某些关键性装备。构件裂纹是否扩展，现已可得到监控。(3)裂纹的微观检查金相分析。即光学金相分析和电子金相分析。裂纹的微观检查主要内容如下。裂纹形态特征，其分布是穿晶的，
35、还是沿晶的，主裂纹附近有无分支裂纹。裂纹处及附近的晶粒度有无显著粗大或细化或大小极不均匀的现象，晶粒是否变形裂纹与晶粒变形的的方向相平行或相垂直。裂纹附近是否存在碳化物或非金属夹杂物，它们的形态、大小数量及分布情况如何。裂纹源是否产生于碳化物或非金属夹杂物周围，裂纹扩展与夹杂物之间有无联系。裂纹两侧是否存在氧化和脱碳现象，有无氧化物和脱碳组织。产生裂纹的表面是否存在加工硬化层或回火层。 裂纹萌生处及扩展路径周围是否有过热组织、魏氏组织组织缺陷。(4)产生裂纹部位的分析裂纹产生的部位往往比较特殊，可能与构件局部结构形状引起的应力集中有关，也可能与材料缺陷引起的内应力集中等因素有关。裂纹的起因，主
36、要归结于应力因素。a构件结构形状引起的裂纹 由于构件结构上的需要或由于设计上的不合理，或加工制造过程中没有按设计要求进行，或在运输过程中碰撞而致在构件上往往有尖锐的凹角、凸边或缺口，截面尺寸突变或台阶等“结构上的缺陷”，这些结构上的缺陷在构件制造和使用过程中将产生很大的应力集中并可能导致裂纹。所以，要注意裂纹所在部位与构件结构形状之间关系的分析。b材料缺陷引起的裂纹 金属材料本身的缺陷，特别是表面缺陷，如夹杂、斑疤、划痕、折叠、氧化、脱碳、粗晶以及气泡、疏松、偏析、白点、过热、过烧、发纹等，不仅其本身直接破坏了材料的连续性，降低了材料的强度与塑性，而且往往在这些缺陷的尖锐的前沿，造成很大的应力
37、集中，使得材料在很低的平均应力下产生裂纹并得以扩展，最后导致断裂。统计表明弯曲循环应力作用下，100%疲劳源起于表面缺陷。c受力状况引起的裂纹 在金属材料质量合格，构件形状设计合理的情况下，裂纹将在应力最大处形成，或有随机分布的特点。在这种情况下，为判别裂纹起裂的真实原因，要特别侧重对应力状态的分析。尤其是非正常操作工况下构件的应力状态，如超载、超温等。(5)主裂纹的判别在主裂纹产生的过程中，往往产生有支裂纹和微裂纹，称二次裂纹。主裂纹与二次裂纹的萌生与扩展机理是相同的，并具有相似的扩展与形貌特征。找出主裂纹并进行分析容易判别产生的原因，如主裂纹受到损坏，则以二次裂纹的走向及形貌特征获得有限的
38、断裂信息进行分析。一般有四种主裂纹的判别方法：T形法、分枝法、变形法与氧化法，如图41所示。T形法 将散落的碎片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T形。在一般情况下横贯裂纹A为首先开裂的，A裂纹阻止B裂纹扩展或者B裂纹的扩展受到A裂纹的阻止时，A裂纹为主裂纹，B裂纹为二次裂纹。分枝法 将散落碎片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝形。在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分叉或分枝方向通常为裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。变形法 将散落碎片按相匹配断口合并起来，构成原来构件的几何外形，测量其几何形状的变化情况，变形量较
39、大的部位为主裂纹，其他部位为二次裂纹。氧化法 在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验断口各个部位的氧化程度，其中氧化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。(6)裂纹的走向a应力原则 在金属脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂时，裂纹的扩展方向一般都垂直于主应力的方向，如塔形轴疲劳时，在凹角处起源的疲劳裂纹，在与主应力线垂直的方向上扩展，最后形成碟形断口。当韧性金属承受扭转载荷或金属在乎面应力的情况下，其裂纹的扩展方向一般平行于切应力的方向，如韧性材料切断断口。b强度原则 有时虽然按应力原则对裂纹在该方向上的扩展
40、是不利的，但是裂纹仍然沿着此方向发展，这是因为裂纹扩展方向不仅按照应力的原则进行，而且还应按材料强度原则进行的缘故，强度原则即指裂纹总是倾向沿着最小阻力路线，即材料的薄弱环节或缺陷处扩展的情况。有时按应力原则扩展的裂纹，途中突然发生转折，显然这种转折的原因是由于材料内部的缺陷。在这种情况下，在转折处常常能够找到缺陷的痕迹或者证据。在一般情况下，当材质比较均匀时，应力原则起主导作用，裂纹按应力原则进行扩展，而当材质存在着明显不均匀时，强度原则将起主导作用，裂纹将按强度原则进行扩展。当然，应力原则和强度原则对裂纹扩展的影响也可能是一致的，这时裂纹将无疑地沿着一致的方向扩展。例如，表面硬化的齿轮或滚
41、动轴承的滚柱等零件，按强度原则裂纹可能沿硬化层和心部材料的过渡层(分界面)上扩展，因为在分界面上的强度急剧地降低，按应力原则，齿轮在工作时沿分界面处应力主要是平行于分界面的交变切应力和交变张应力，因此往往发生沿分界面的剪裂和垂直于分界面的撕裂。从微观来看，裂纹的扩展方向可能是沿晶界的，也可能是穿晶或者是混合的。裂纹扩展方向到底是沿晶的还是穿晶的，取决于在某种具体条件下，晶内强度和晶界强度的相对比值。在一般的情况下，应力腐蚀裂纹、氢脆裂纹、回火脆性、磨削裂纹、焊接热裂纹，冷热疲劳裂纹、过烧引起的锻造裂纹、铸造热裂纹、蠕变裂纹、热脆等晶界是薄弱环节，因此它们的裂纹是沿晶界扩展的；而疲劳裂纹、解理断
42、裂裂纹、淬火裂纹(由于冷速过大、零件截面突变等原因引起的淬火裂纹)，焊接裂纹及其他韧性断裂的情况下，晶界强度一般大于晶内强度，因此它们的裂纹是穿晶的，这时裂纹遇到亚晶界、晶界、硬质点或其他组织和性能的不均匀区时，往往会改变扩展方向。因此认为晶界能够阻碍疲劳裂纹的扩展，这就是常常用细化晶粒的方法来提高金屑材料的疲劳寿命的原因之一。(7)裂纹周围和裂纹末端情况金屑表面和内部缺陷为裂纹源处，一般都能找到作为裂纹源的缺陷；裂纹的转折往往也可以找到某种材料的缺陷；在高温下产生的裂纹，或经历了高温的过程裂纹，在其裂纹的周围也常常有氧化和脱碳的痕迹。所以对裂纹周围情况的分析，可以了解裂纹经历的温度范围和构件
43、的工艺历史，从而判断产生裂纹的具体过程。因此对裂纹周围情况的分析是十分重要的内容。值得进一步指出的是对裂纹周围情况的分析，还应该包括对裂纹两侧的形状耦合性对比。在金相显微镜下观察淬火和疲劳裂纹时，虽然裂纹走向弯曲，但是在一般的情况下，裂纹两侧形状是耦合的，而发裂、拉痕、磨削裂纹、折叠裂纹以及经过变形后的裂纹等，其耦合特征不明显。因此，裂纹两侧的耦合性可以作为判断裂纹性质的参考依据。一般情况下，疲劳裂纹、淬火裂纹的末端是尖锐的，而铸造热裂纹、磨削裂纹和发纹等末端呈圆秃状。因此裂纹末端情况也是综合分析判断裂纹性质和原因的凭证。裂纹起源于锻造折叠(箭头所指为折叠)裂纹位于支臂外侧表面,与支臂圆弧基本
44、平行陈旧性裂纹与瞬断区边界形貌裂纹末端圆钝,周围金属变形流线围绕裂纹末端弯曲呈回流状是模锻生产过程中产生的一种锻造缺陷折叠,是金属在高温变形流动过程中,已氧化了的表层金属汇合在一起而形成的。三. 痕迹分析构件失效时，由于力学、化学、热学、电学等环境因素单独或协同地作用，并在构件表面或表面层留下了某种标记，称为痕迹。这些标记可以是构件表面或表面层的损伤性的标记，也可以是构件以外的物质。对痕迹进行分析，研究痕迹的形成机理、过程和影响因素，称为痕迹分析。在构件失效分析中，通过痕迹分析可以提供线索和证据。在失效分析范畴,痕迹的具体含义是指:1.痕迹的形貌(或称花样);2.痕迹区、污染物及反应产物的化学
45、成分;痕迹颜色的种类、色度、分布和反光等;痕迹区材料的组织和结构;3.痕迹区的表面性能;痕迹区的残余应力分布;4.从痕迹区散发出来的各种气味;痕迹区的电荷分布和磁性等。痕迹分析即是对失效件的上述特征的变化进行鉴别,并找出其变化原因,为失效分析提供线索和依据的技术活动。1) 痕迹分析程序在一般情况下,痕迹分析应按如下程序进行。(1)发现和显现痕迹 这是痕迹分析的前提和基础。应以现场为起点,先收集能反应整体破坏顺序的痕迹,后收集具体零部件外部的痕迹,再收集零部件之间的痕迹,最后搜集污染物和分离物。(2)提取、固定、显现、清洗、记录和保存痕迹方法有复印、制模法、静电法和AC纸粘附法等。痕迹的记录可以
46、用文字、示意图和照片。(3)鉴定痕迹 对具体的痕迹特征进行针对性检验,从而确定痕迹的性质、产生的时间和条件。鉴定时,应按由表及里、由简而繁、先宏观后微观、先定性后定量,按形貌2组织结构2性能的顺序进行。(4)模拟再现痕迹 必要时可在产品上进行,拆检同型号的、已使用过的产品的相应痕迹加以对比是一种更真实的“试验”。(5)综合分析 痕迹 分析需综合考虑形成痕迹的过程、条件和影响因素,痕迹的可变性及与零件工作、失效的关系等,以确定痕迹的性质和原因。2) 痕迹的发现和显现技术痕迹的发现和显现就是将隐藏的、不明显的痕迹特征揭示出来,以确定痕迹的分布及其规律,为进一步的痕迹性质鉴定提供目标。痕迹是一种表面
47、特征,寻找痕迹应在零部件的表面进行,并根据地点、机件等不同采取相应的方法。对大的机件,如飞机、汽车等,应着重从零部件的表面颜色变化、表面结构轮廓变化、形貌变化等肉眼易见的特征上来发现痕迹;当零部件较小时,在实验室借助一定的仪器设备来进行的同时,应在以上检查的基础上,重点从粗糙度变化、细小附着物、擦痕、划痕、材料成分和组织等方面来发现痕迹。 痕迹的提取、固定、清洗、记录和保存技术为了得到痕迹的准确信息,需对痕迹进行清理,以去除保护涂层、腐蚀产物和灰尘之类的松散沉积物。常用的清理技术有机械刷洗法、有机溶剂清洗法、弱酸或碱性溶液处理法和超声清洗法。痕迹的提取、固定、显现、清洗、记录和保存。摄影、复印
48、、制模法、静电法、AC法等都可提取、固定痕迹，各种干法和湿法还可提取残留物。其中正确摄取痕迹照片是重要工作。3） 痕迹的鉴定 应首先通过肉眼观察确定痕迹的整体分布特征与规律,然后以有代表性的局部痕迹来重点分析痕迹的性质。(1)痕迹的形成要素和分类 一般来说,形成痕迹包含三个基本要素:造痕物,即痕迹的制造者,是直接接触并作用于机械表面的物体或介质。留痕物,即造痕物作用的对象,一般指机械表面。造痕物与留痕物是相对的,有时在两个匹配的接触面都会留下痕迹。造痕物和留痕物发生相互接触或非正常作用。图1示出了痕迹的形成原理。当造痕物与留痕物发生相互接触或作用,痕迹就会形成。对机械痕迹,造痕物与留痕物之间的
49、这种作用就是力,而且一般为压应力。根据痕迹形成的机理和条件的不同,可将机械失效中的痕迹分为机械接触痕迹、腐蚀痕迹、电侵蚀痕迹、污染痕迹、分离物痕迹、热损伤痕迹和加工痕迹等七类。 4）痕迹的种类a机械接触痕迹 构件之间接触的痕迹，包括压入、撞击、滑动、潦压、微动等的单独作用或联合作用，这种痕迹称为机械接触痕迹，其特点是塑性变形或材料转移、断裂等，集中发生于接触部位，并且塑性变形极不均匀。飞机座舱抛盖活门薄膜表面压痕 犁痕末端材料堆积机械接触痕迹的种类压入性机械痕迹 简称压痕,是造痕物压入留痕物,在接触面留下的痕迹。典型形貌是压坑、压伤、压陷和压痕.撞击性机械痕迹 撞击性机械痕迹的机械力作用时间很
50、短,变形速度大,接触面之间以垂直接触面方向的相对运动为主。如飞机坠毁时的接地痕迹等。撞击性机械痕迹可分为外物打伤痕迹、多次撞击表面疲劳痕迹和冲蚀损伤痕迹三种。滑动性机械痕迹 又称摩擦痕迹,是在摩擦过程中形成的痕迹,如机械表面的各种划痕、磨痕、刮痕等,是机械表面最常见的机械痕迹。根据其形成机理和特征,可分为犁痕(即划痕)、粘着痕迹、摩擦疲劳痕迹和摩擦腐蚀痕迹等四类。滚动性机械痕迹 工程上所说的滚动性机械痕迹,实际上都是滚压或滚滑性机械痕迹,简称为滚动痕迹。如各种轮胎滚压痕迹和履带滚压痕迹,滚动接触疲劳痕迹等。微动性机械痕迹 微动就是名义上相对静止的两个固体,其相互接触的表面在法向压力作用下互相挤
51、压并产生往复的相对滑动。相对滑动幅度在5400m。微动性损伤有微动疲劳、微动磨损和微动腐蚀等。b腐蚀痕迹 由于构件材料与周围的环境介质发生化学或电化学作用而在构件表面留下的腐蚀产物及构件材料表面损伤的标记，称为腐蚀痕迹。腐蚀痕迹分析可有以下几个方面。构件表面形貌的变化，如点蚀坑、麻点、剥蚀、缝隙腐蚀、鼓泡、生物腐蚀气蚀等。表面层化学成分的改变或腐蚀产物成分的确定颜色的变化和区别。物质结构的变化。导电、导热、表面电阻等表面性的变化。是否失去金属的声音等。腐蚀痕迹 金属腐蚀是指金属与周围介质发生化学或电化学作用,导致金属损伤的各种转变过程。金属腐蚀必有腐蚀产物出现。腐蚀经常与其它失效形式协同作用,
52、产生更为严重的复合失效形式,如腐蚀磨损、腐蚀疲劳、热腐蚀和应力腐蚀等。零件是否发生了腐蚀,可以从表面颜色、形貌、表面层化学成分、物资结构等是否有变化和导电、导热、表面电阻等表面性能的变化等方面来鉴别。如钢和铸铁,腐蚀开始时金属表面颜色发暗,腐蚀轻时呈暗灰色,进一步发展会变为褐色或棕黄色,严重腐蚀呈棕色或褐色疤痕甚至锈坑。c电侵蚀痕迹 由于电能的作用，在与电接触或放电的构件部位留下的痕迹称为电侵蚀痕迹。电侵蚀痕迹分为两类。电接触痕迹 由于电接触现象而在电接触部位留下的电侵蚀痕迹。当电接触状况不良时，接触电阻剧增，而电流密度很大。电接触部位在火花或电弧的高温作用下，可能产生金属液桥、材料转移或喷溅
53、等电侵蚀现象。静电放电痕迹 由于静电放电现象而在放电部位留下的电侵蚀痕迹。化工、石油化工、轻工、食品等很多工业场合，容易引起静电火灾和爆炸。有调查数据称，在有易燃物和粉尘的现场，约占70的火灾和炸事故是由静电放电引燃而产生的。常见的静电放电痕迹是树枝状的，也有点状、线状、斑纹状等。“不锈钢混合机爆炸”是由静电引燃超细粉末物料，瞬间释放巨大能量引起的爆炸，现场残件下法兰面上有由内向外发散的树枝状的花样。 d. 热损伤痕迹 由于接触部位在热能作用下发生局部不均匀的温度变化而留下的痕迹。金属表面层局部过热、过烧、熔化、直至烧穿、表面保护层的烧焦都会留下热损伤痕迹。不同的温度有不同的热损伤颜色，且构件
54、材料表面层成分、结构会发生变化，表面性能有所改变。 e.加工痕迹 对失效分析有帮助的主要是非正常加工痕迹，即留在构件表面的各种加工缺陷，如刀痕、划痕、烧伤、变形约束等。 f.污染痕迹 各种外来污染物附着在构件表面而留下的痕迹是污染痕迹。这些污染物并没有与构件材料表面发生作用，只附着在其表面。污染痕迹虽不是构件与污染物发生作用而形成的，但有时也能提供某种线索。 5） 痕迹分析的主要内容痕迹的形貌(或称花样)，特别是塑性变形具体形状、尺寸、数量及分布；痕迹区以及污染物、反应产物的化学成分；痕迹颜色的种类、色度和分布、反光性等；痕迹区材料的组织和结构；痕迹区的表面性能(耐磨性、耐蚀性、痕迹区的残余应
55、力分布；从痕迹区散发出来的各种气味；痕迹区的电荷分布和磁性等。 6） 痕迹的综合分析1） 痕迹的性质不同性质的痕迹具有不同的特征,不同的特征反应不同的痕迹形状,痕迹性质与痕迹特征之间具有对应关系。通过对痕迹进行全面的分析,可确定痕迹的各项特征,由此基本分析出痕迹的性质。分析中需要综合考虑痕迹的各方面特征后才能做出最后的结论,切不可只根据一两个特征,或只根据宏观特征或微观特征,就确定痕迹的性质。如,一发动机的压气机叶片发生疲劳断裂,源区存在一凹坑痕迹。宏观下该痕迹位于叶片的进气边缘,呈豁口状,底部已露出金属光泽;微观下底部可见细小的擦痕,盆面尾端有金属毛边。由以上痕迹特征可以判断,该痕迹为打伤痕迹,方向为从进气边缘指向叶盆面。进一步的分析表明,这一打伤痕迹是导致该叶片疲劳断裂根本原因。2） 痕迹的来源(产生)痕迹的来源,即痕迹产生的原因或条件,这是失效痕迹分析的重点。痕迹原因分析的基础是痕迹的性质分析,不同性质的痕迹具有不同的产生条件,也就
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