其它件失效分析实例
其它件失效分析实例
本部分主要是列举了有关加工工艺过程的产品：冷成型件、铸件、锻件、焊接件等失效的实例；同时也介绍了有关服役过程中产生的失效实例，如模具失效、飞机零部件失效、纺纱嘴失效……等。详细情况请参阅下面各具体实例。
1．黄铜板裂纹失效
H68黄铜板冷冲压成型(有筋肋)后，未经过其它后续退火等热处理，就直接在含有铁锈、一定汞量及其它杂质的水介质中应用。断续使用数月后，在铜板冲压件的一些筋肋处出现明显的裂纹如图1所示。取样作金相分析检查，其微观组织及裂纹分布情况如图2所示。由于出现颇多裂纹，使该件大量报废。
从裂纹的分布形态并结合生产工艺和使用情况可知，其裂纹的产生，是由于铜板冲压变形后，未经消除应力处理，而后又在含汞等介质中使用之故。产生的裂纹属应力腐蚀裂纹。
一般铜制冲压件均有较大的内应力存在，应在200~300℃温度范围进行数小时退火处理，方可避免因冲制而引起的应力腐蚀破坏。
图1 OPI 图象说明：
黄铜板筋肋的宏观裂纹分布情况。垂直裂纹截取试样，作剖面金相观察，在放大60倍下裂纹已经穿透整个截面。
图象说明：
黄铜板之微观组织和裂纹分
布情况。裂纹沿α相晶界扩展。
试样经浸蚀后，在原裂纹区
域放大至200倍观察，组织为α
单相固溶体，裂纹大多沿α相晶
粒边界分布，这是铜制件的一种
典型应力腐蚀裂纹形态。
图2 OPI
2．葫芦吊钩失效
失效件为起重葫芦吊钩，是进口设备，材料采用相当于18CrNi钢。该吊钩服役四年之后，在1983年11月26日吊装甲醇塔时，葫芦吊钩突然断裂，发生重大事故。
观察吊钩的外观形貌，发现断裂是从钩子轴端点起始的，如图3所示。宏观观察断口呈暗灰色，断口面倾斜，凹凸不平，有明显的拉伸纤维特征如图4所示。
图3 OPI 图象说明：
葫芦吊钩宏观外形。图中左上方圆环部位是钩子轴端断裂处，如箭头所指。
图象说明：
宏观断口形貌，断口灰暗，
粗糙不平，断口面倾斜，具有纤
维状形貌特征。
图4 OPI
3．手工钳头筒体断裂失效
手工钳头筒体材料为40Cr钢，其热处理工艺为840℃淬火和低温回火，在泵水试验时筒体发生断裂。筒体外观形貌如图5所示，断口宏观形貌如图6所示。
综上检查可断定零件失效属沿晶脆性断裂。主要原因是淬火加热温度过高，出现淬火裂纹，减少筒体有效截面，造成晶粒粗大。此外，回火不足，淬火应力无法完全消除。螺纹加工粗糙，增强了应力集中的敏感性。以上几点综合导致泵水试验时筒体最终断裂。
图5 OPI 图象说明：
零件断裂发生在左侧螺纹最末端的二个牙上。
图象说明：
断面平坦，沿零件外圆一圈（约2.5mm 深）呈明显的暗色，该层暗色圈已占整个截面的
2
1，余下部分则为较新鲜的结晶状断口。暗色圈属淬火裂纹。
图6 OPI
4．导纺嘴断裂失效
南通针织厂从国外引进纺织设备，进行试车2小时后，发现导纺嘴断裂失效。 导纺嘴材料为Cr 不锈钢，经过淬火及回火处理。
通过扫描电子显微镜观察，导纺嘴的裂纹形态及断口宏观形貌特征如图7及8所示。 通过断口分析及其它物理方法分析，可认为导纺嘴是由于淬火裂纹引起的脆性沿晶开裂。
图7 SEM 50×
图象说明：
导纺嘴主裂纹沿纵向贯穿整体，裂纹较平直。次裂纹沿导纺嘴管体的横向及纵向延伸。
图象说明：
导纺嘴横向裂纹成环形开
裂，形成断口。断口表面较粗糙，
具有台阶及腐蚀斑点等形貌特
征。台阶底部是导纺嘴横、纵向
裂纹交叉处。
图8 SEM 20×
5．飞机起落架叉形接头断裂失效
飞机起落架材料为30CrMnSi，经调质处理，该飞机常于海面上空飞行，已使用多年，在降落时发生起落架断裂事故。
断口的宏观形貌如图9所示。
根据起落架断裂源部位具有腐蚀坑、腐蚀产物及沿晶断裂等微观特征，说明具有应力腐蚀开裂的形貌。这是因为飞机常于海面低空飞行，海面低空处氯离子浓度往往较高，为产生应力腐蚀开裂提供了腐蚀性的环境，起落架工作时在叉形接头处受力较高，裂纹源正产生于宏观形状的变截面处，在变截面处往往有应力集中现象存在，于是在该处首先形成应力腐蚀裂纹，当裂纹达到一定深度时，加上飞机降落时起落架承受很大的冲击力，在这种大外应力作用下，原先形成的裂纹已达到临界尺寸，于是发生突然断裂事故。
图9 OPI 图象说明：
起落架宏观断口形貌，可观察到人字纹特征。人字纹起始于箭头所示处，并向两侧扩展，由此可见，箭头所示处为裂纹源。断口两侧后半部呈45°角倾斜系断口的剪切唇区。
6．飞机前起落轮叉断裂失效
飞机前起落轮叉材质为30CrMnSiNi2A 钢，是模压件，MPa b 1001700±=σ，轮叉在常温下疲劳开裂。
轮叉刹车力为5684N ，运行到20个循环时观察到裂纹长大3~4mm 左右，经过33个循环时，裂纹长大15.8mm ，轮叉在34个循环时发生断裂。
轮叉断口宏观形貌如图10所示，具有疲劳贝壳状条纹、台阶弧线等。
通过上述断口分析可知，飞机前起落架轮叉断口为典型的疲劳断口，随着循环次断的增加，宏观疲劳裂纹扩展速率增大。
图10 OPI
图象说明：
在凹槽的R 角处的裂源区具有明显的台阶，用肉眼或放大镜可观察到疲劳断裂的宏观形貌——贝壳状条纹。断口上具有较大的台阶弧线，它是疲劳循环特征的标志即较大的负载变动情况的记录。
7．45号钢精铸件中硬质点缺陷分析
45号钢精铸件多种，其毛坯经860℃正火处理，在粗铣、精铣、钻孔等机械加工过程中发生加工困难。在用组合铣刀铣切毛坯零件时，感觉材料有软硬不一致现象。一把组合铣刀仅加工4~5件（过去一般正常铣加工毛坯100件才换刀），就使铣刀致钝和崩刃，精铣零件粗糙度不合格；在钻孔时，铁屑不卷曲，并发出不正常声音；用手锯切割毛坯零件时，发生锯条打滑和锯齿严重磨损现象。以上情况，严重影响了正常生产。为研究其加工困难之原因，进行了详细的检验分析，挽救了大量的库存制品，获得满意效果与巨大的经济效益。
45号钢精铸件的毛坯及成品的实物见图11。
图象说明：
精铸件毛坯（左）及成品件
（右）。
图11 OPI
45号钢精铸件由于存在硬质点相——马氏体，使机加工发生困难。造成硬质点的原因是钢中存在硼、铬等元素的偏聚，故此提高了精铸件局部微区的淬透性。
精铸件是经中频冶炼后浇注而成，成分偏析是中频冶炼的缺点，在其浇注后的冷却过程中，在元素偏聚区，硼、铬等元素主要以固溶体形式存在于金属基体中，使偏聚微区的C 曲线右移，于是铸件在正火空冷过程中，这些微区部位获得淬透并形成硬质点相——马氏体。
由于硼、铬等元素主要来源于炉料中的废钢，所以经中频冶炼浇注的45号钢精铸件，常会出现上述缺点。因此，45号钢精铸毛坯件在正火后，机加工前进行600~630℃高温回火处理，已成为必不可少的工序。
8.电压线圈硅钢片下模开裂分析
材料为Crl2MoV钢之电压线圈硅钢片下模，大部分在磨削时发生开裂，部分在回火后发现开裂。其工艺如下：
锻造：将圆钢锻压成方坯190×130×130mm。退火：材料经锻成方坯后，因硬度过高，为改善切削性能采用860℃保温3小时加热，冷至780℃保温4小时之等温退火处理。退火时每炉装8块，在箱式炉中进行。
机加工：将退火后之坯料加工成120×100×16mm，切削余量为5mm。初磨两平面，磨削量为0.15~0.20mm，用肥皂水冷却。
检查分析情况见图12至图13。
图 12 OPI 图象说明：
模具裂纹实物形貌，模具长120mm、宽100mm、厚16mm，大致成四方形。裂纹在截面中间，部位与长边（120mm）相垂直。裂纹纵向长约70mm，横向与厚度相等，裂纹由表面起始笔直向内延伸。
图象说明：
在模具横向表面有钢印打字
记号和冷加工刀痕，如箭头所示。
显然，裂纹正起源于箭头所指之
处，说明打字记号与冷加工刀痕
引起应力集中，促使裂纹形成。
图 13 OPI
从宏观和微观观察到的裂纹形态可知：
(1)此模具材料碳化物偏析严重，已超过一般使用级别。不仅碳化物带和网状极其明显，而且断口条纹亦明显粗大。由此可知，材料未经有效锻造，碳化物未被击碎分散，仍保留着材料原始偏析状况；
(2)裂纹始端部位表面加工粗糙(包括粗糙凹痕及打字印迹)，致使模具在热处理时冷却过程中产生大的应力集中，从微观组织看，裂纹穿过晶界和对穿碳化物，并笔直向前发展，可知其应力之大。
综上所述，此模具开裂原因系锻造变形不够，组织应力和淬火应力在机加工刀痕和打字印痕处产生应力集中，故在回火与磨削过程中开裂。
9．缝纫机摆梭的失效
缝纫机摆梭是用20号钢经中温冲压成型，并经固体渗碳，淬油后再进行低温回火。成品零件使用不久即碎断成三块，见图14。断面平整，属脆性断裂，而中心部位呈不明显的
纤维状断口，说明零件截面中心尚有一定的韧性。
缝纫机摆梭的断裂失效是由于渗碳质量不良，造成粗大晶粒和大量魏氏组织，致使零件脆性增大之故。
图 14 OPI
图象说明：
失效摆梭的实物形貌。
PCB失效分析技术及部分案例
PCB失效分析技术及部分案例 作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽，PCB已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。但是由于成本以及技术的原因，PCB在生产和应用过程中出现了大量的失效问题。 对于这种失效问题，我们需要用到一些常用的失效分析技术，来使得PCB在制造的时候质量和可靠性水平得到一定的保证，本文总结了十大失效分析技术，供参考借鉴。 1.外观检查 外观检查就是目测或利用一些简单仪器，如立体显微镜、金相显微镜甚至放大镜等工具检查PCB的外观，寻找失效的部位和相关的物证，主要的作用就是失效定位和初步判断PCB 的失效模式。外观检查主要检查PCB的污染、腐蚀、爆板的位置、电路布线以及失效的规律性、如是批次的或是个别，是不是总是集中在某个区域等等。另外，有许多PCB的失效是在组装成PCBA后才发现，是不是组装工艺过程以及过程所用材料的影响导致的失效也需要仔细检查失效区域的特征。 2.X射线透视检查 对于某些不能通过外观检查到的部位以及PCB的通孔内部和其他内部缺陷，只好使用X 射线透视系统来检查。X光透视系统就是利用不同材料厚度或是不同材料密度对X光的吸湿或透过率的不同原理来成像。该技术更多地用来检查PCBA焊点内部的缺陷、通孔内部缺陷和高密度封装的BGA或CSP器件的缺陷焊点的定位。目前的工业X光透视设备的分辨率可以达到一个微米以下，并正由二维向三维成像的设备转变，甚至已经有五维（5D）的设备用于封装的检查，但是这种5D的X光透视系统非常贵重，很少在工业界有实际的应用。 3.切片分析 切片分析就是通过取样、镶嵌、切片、抛磨、腐蚀、观察等一系列手段和步骤获得PCB
各类材料失效分析方法
各类材料失效分析方法 Via 常州精密钢管博客 失效分析是一门发展中的新兴学科，近年开始从军工向普通企业普及，它一般根据失效模式和现象，通过分析和验证，模拟重现失效的现象，找出失效的原因，挖掘出失效的机理的活动。在提高产品质量，技术开发、改进，产品修复及仲裁失效事故等方面具有很强的实际意义。 失效分析流程 图1 失效分析流程 各种材料失效分析检测方法 1 PCB/PCBA失效分析 PCB作为各种元器件的载体与电路信号传输的枢纽已经成为电子信息产品的最为重要而关键的部分，其质量的好坏与可靠性水平决定了整机设备的质量与可靠性。
图2 PCB/PCBA 失效模爆板、分层、短路、起泡，焊接不良，腐蚀迁移等。 常用手段· 无损检测： 外观检查，X射线透视检测，三维CT检测，C-SAM检测，红外热成像表面元素分析： 扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS) 显微红外分析(FTIR) 俄歇电子能谱分析(AES) X射线光电子能谱分析(X PS) 二次离子质谱分析(TOF-SIMS)· 热分析：· 差示扫描量热法(DSC) 热机械分析(TMA) 热重分析(TGA) 动态热机械分析(DMA) 导热系数(稳态热流法、激光散射法) 电性能测试： · 击穿电压、耐电压、介电常数、电迁移· 破坏性能测试： 染色及渗透检测
2 电子元器件失效分析 电子元器件技术的快速发展和可靠性的提高奠定了现代电子装备的基础，元器件可靠性工作的根本任务是提高元器件的可靠性。 图3 电子元器件 失效模式 开路，短路，漏电，功能失效，电参数漂移，非稳定失效等 常用手段· 电测：连接性测试电参数测试功能测试 无损检测： 开封技术(机械开封、化学开封、激光开封) 去钝化层技术(化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层) 微区分析技术(FIB、CP) 制样技术： 开封技术(机械开封、化学开封、激光开封) 去钝化层技术(化学腐蚀去钝化层、等离子腐蚀去钝化层、机械研磨去钝化层) 微区分析技术(FIB、CP) 显微形貌分析： 光学显微分析技术 扫描电子显微镜二次电子像技术 表面元素分析： 扫描电镜及能谱分析(SEM/EDS) 俄歇电子能谱分析(AES)
《材料失效分析》实验教案2014上.
课程教案 课程名称：材料失效分析实验 任课教师：刘先兰 所属院（部）：机械工程学院 教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期 湖南工学院
《材料失效分析》实验 实验课程编码： 学时：6 适用专业：金属材料工程 先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等 考核方式： 一、实验课程的性质与任务 帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。 二、实验项目 实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时） 实验二零件失效的宏观分析法（2学时） 实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时） 三、实验报告要求 每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。 四、其它要求 实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。 五、教材和参考资料 1教材： 《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社. 2．参考资料： [1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社.. [2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社. [3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社. [4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社. [5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.
其它件失效分析实例
其它件失效分析实例 本部分主要是列举了有关加工工艺过程的产品：冷成型件、铸件、锻件、焊接件等失效的实例；同时也介绍了有关服役过程中产生的失效实例，如模具失效、飞机零部件失效、纺纱嘴失效……等。详细情况请参阅下面各具体实例。 1．黄铜板裂纹失效 H68黄铜板冷冲压成型(有筋肋)后，未经过其它后续退火等热处理，就直接在含有铁锈、一定汞量及其它杂质的水介质中应用。断续使用数月后，在铜板冲压件的一些筋肋处出现明显的裂纹如图1所示。取样作金相分析检查，其微观组织及裂纹分布情况如图2所示。由于出现颇多裂纹，使该件大量报废。 从裂纹的分布形态并结合生产工艺和使用情况可知，其裂纹的产生，是由于铜板冲压变形后，未经消除应力处理，而后又在含汞等介质中使用之故。产生的裂纹属应力腐蚀裂纹。 一般铜制冲压件均有较大的内应力存在，应在200~300℃温度范围进行数小时退火处理，方可避免因冲制而引起的应力腐蚀破坏。 图1 OPI 图象说明： 黄铜板筋肋的宏观裂纹分布情况。垂直裂纹截取试样，作剖面金相观察，在放大60倍下裂纹已经穿透整个截面。
图象说明： 黄铜板之微观组织和裂纹分 布情况。裂纹沿α相晶界扩展。 试样经浸蚀后，在原裂纹区 域放大至200倍观察，组织为α 单相固溶体，裂纹大多沿α相晶 粒边界分布，这是铜制件的一种 典型应力腐蚀裂纹形态。 图2 OPI 2．葫芦吊钩失效 失效件为起重葫芦吊钩，是进口设备，材料采用相当于18CrNi钢。该吊钩服役四年之后，在1983年11月26日吊装甲醇塔时，葫芦吊钩突然断裂，发生重大事故。 观察吊钩的外观形貌，发现断裂是从钩子轴端点起始的，如图3所示。宏观观察断口呈暗灰色，断口面倾斜，凹凸不平，有明显的拉伸纤维特征如图4所示。 图3 OPI 图象说明： 葫芦吊钩宏观外形。图中左上方圆环部位是钩子轴端断裂处，如箭头所指。
金属材料及零部件的失效分析
金属材料及零部件失效分析 随着科学技术和工业生产的迅速发展，人们对机械零部件的质量要求也越来越高。材料质量和零部件的精密度虽然得到很大的提高，但各行业中使用的机械零部件的早期失效仍时有发生。通过失效分析，找出失效原因，提出有效改进措施以防止类似失效事故的重复发生，从而保证工程的安全运行是必不可少的。 相关行业 汽车零部件、精密零部件、模具制造、铸锻焊、热处理、表面防护等金属相关行业。 常见失效模式 断裂：韧性断裂、脆性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、液态金属脆化、氢脆 腐蚀：化学腐蚀、电化学腐蚀 磨损：磨粒磨损、粘着磨损、疲劳磨损、微动磨损、变形磨损 其他：功能性失效、物理性能降级等等 金属失效分析的意义
1. 减少和预防产品同类失效现象重复发生，减少经济损失，提高产品质量； 2. 为裁决事故责任，制定产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。 失效分析常用手段 （1）断口分析： 分析断裂源、断口特征形貌，并分析这些特征与失效过程的相互关系。 解理断裂沿晶断裂 （2）金相组织分析 评估组织级别、工艺匹配程度、缺陷等级等等。
（3）成分分析： SEM/EDS； ICP-OES； XRF； 火花直读光谱。 （4）痕迹分析： 分析失效件与成型、使用、环境交互影响留下的细微痕迹。
（5）热学分析：评判材料在热环境使用的合理性。 （6）机械性能分析：评估力学强度、硬度、热性能等指标是否符合使用要求。（7）微区分析：分析表面形貌及微区成分，为失效机理推断提供定性定量依据。（8）极表面分析：对极表面腐蚀产物、微量异物进行定性定量分析。
金属构件失效分析精简版
第一章 1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效 3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当 4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。 5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断 第二章 1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。细小的缩孔称为疏松。b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。c内裂纹d气泡和白点 2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层 3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物 4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂 5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。 6、焊接裂纹的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂 7、氧化膜应满足以下条件才具有保护性：a除致密和完整以外，金属氧化物本身稳定、难溶、不挥发、不易与介质发生作用而被破坏；b氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用二玻璃脱落；c氧化膜有足够的强度和塑性，足以经受一定的应力、应变作用，具有足够强度和抗变形能力。 8、金属氧化膜的生长规律：直线规律、抛物线规律、对数规律、立方规律、反对数规律 9、腐蚀原电池的模型：锌在硫酸溶液中的溶解，同时有氢气自锌表面析出。阳极（氧化）阴极（还原）析氢、吸氧。 阳极：Zn---Zn2+ +2e阴极：2H+ +2e----H2 10、在除氧气的稀硫酸溶液中锌板遭受腐蚀而铜板不受腐蚀的原因：铜的标准电极电位为0.3419V，在除氧的稀硫酸溶液中，H+不能成为铜的氧化剂，铜不发生腐蚀；但当稀硫酸含氧时，铜电极的某些部位发生O2+4H++4e→2H2O，O2消耗电子，还原成H2O，这是O2为氧化剂，铜板受腐蚀。 11裂纹焊接的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂 12、为什么高强材料、大型装备及焊接工艺问世后，低应力脆断事故会不断地出现？传统
失效分析思路_张峥
理化检验-物理分册PTCA(PART:A PH YS.T EST.)2005年第41卷3专题讲座 失效分析思路 FAILURE ANA LYSIS M ETH ODOLOGY 张峥 (北京航空航天大学材料学院,北京100083) 中图分类号:T B303文献标识码:E文章编号:1001-4012(2005)03-0158-04 失效分析在生产建设中极其重要,失效分析的限期往往要求很短,分析结论要正确无误,改进措施要切实可行。导致零部件或系统失效的因素往往很多,加之零部件相互间的受力情况很复杂,如果再考虑外界条件的影响,这就使失效分析的任务更加繁重。此外,大多数失效分析的关键性试样十分有限,只容许一次取样、一次观察和测量。在分析程序上走错一步,可能导致整个分析的失败。由此可见,如果分析之前没有一条正确的分析思路,要能如期得出正确的结论几乎是不可能的。 有了正确的分析思路,才能制定正确的分析程序。大的事故需要很多分析人员按照分工同时进行,做到有条不紊,不走弯路,不浪费测试费用。所以从经济角度也要求有正确的分析思路。 1失效分析思路的内涵 世界上任何事物都是可以被认识的,没有不可以认识的东西,只存在尚未能够认识的东西,机械失效也不例外。实际上失效总有一个或长或短的变化发展过程,机械的失效过程实质上是材料的累积损伤过程,即材料发生物理的和化学的变化。而整个过程的演变是有条件的、有规律的,也就是说有原因的。因此,机械失效的客观规律性是整个失效分析的理论基础,也是失效分析思路的理论依据。 失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线,是在思想中以机械失效的规律(即宏观表象特征和微观过程机理)为理论依据,把通过调查、观察和实验获得的失效信息(失效对象、失效现象、失效环 收稿日期:2005-02-07 作者简介:张峥(1965-),男,教授,博士生导师。境统称为失效信息)分别加以考察,然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察,以获取的客观事实为证据,全面应用推理的方法,来判断失效事件的失效模式,并推断失效原因。因此,失效分析思路在整个失效分析过程中一脉相承、前后呼应,自成思考体系,把失效分析的指导思路、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体,从而达到失效分析的根本目的。 在科学的分析思路指导下,才能制定出正确的分析程序;机械的失效往往是多种原因造成的,即一果多因,常常需要正确的失效分析思路的指导;对于复杂的机械失效,涉及面广,任务艰巨,更需要正确的失效分析思路,以最小代价来获取较科学合理的分析结论。总之,掌握并运用正确的分析思路,才可能对失效事件有本质的认识,减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性,大大提高工作的效率和质量。因此,失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分,而且是失效分析的灵魂。 失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程,结果和原因具有双重性,因此,失效分析可以从原因入手,也可以从结果入手,也可以从失效的某个过程入手,如/顺藤摸瓜0,即以失效过程中间状态的现象为原因,推断过程进一步发展的结果,直至过程的终点结果;/顺藤找根0,即以失效过程中间状态的现象为结果,推断该过程退一步的原因,直至过程起始状态的直接原因;/顺瓜摸藤0,即从过程中的终点结果出发,不断由过程的结果推断其原因;/顺根摸藤0,即从过程起始状态的原因出发,不断由过程的原因推断其结果。再如/顺瓜摸藤+顺藤找根0 /顺根摸藤+顺藤摸瓜0/顺藤摸瓜+顺藤找根0等。 # 158 #
材料失效分析
材料失效分析
关于散装无铅焊料的脆性到塑形断裂的 转变温度的研究 姓名：肖升宇专业：材料科学与工程学号：0926000333 摘要 断裂韧性的散装锡，锡铜无铅焊料，锡银和测量功能温度通过一个摆锤冲击试验（冲击试验）。韧脆断裂转变他们发现，即急剧变化，断裂韧性，相比没有转变为共晶锡铅。过渡温度高纯锡，Sn-0.5%铜和Sn-0.5%铜（镍）合金在- 125℃含有Aｇ的焊料显示过渡在较高温度：在范围78到45–°–°C最高转变温度45℃–°测定锡- 5%银，这是球以上的只有30–°角的增加的银内容变化的相变温度较高的值，这可能与高SnAg3颗粒体积分数的焊料的量。这些结果被认为是非常重要的选择最好的无铅焊料组合物。 简介 由2006年七月份。铅的使用电子在欧洲将被禁止，以及无铅焊料应取代锡铅焊料，常用于微电子领域超过50年。许多以Sn为基体的焊料针对于过去几年进行深入研究，如锡银，铜，Sn-Ag-Cu等等，特别是关于其可靠性，工作是远远没有完成。自从这个“软”铅被从焊料中提取出来之后，导致无铅焊料不容易变行和增长了当地积累的应力水平，这也增加了裂缝成核的概率。这显着影响着主要焊点的失效模式，即焊料疲劳。这是众所周知的一些金属松动的低温延性，并表现出脆性断裂模式。因此，韧性到脆性转变温度是一个重要参数。
至于我们的知识，只有现有无铅合金的数据，见迈耶[1]，显示出锡5％银的转变温度为-25°，相比没有过渡锡，铅-1.5Ag93.5％。这其实是相当令人失望，因为许多标准热 循环试验开始温度低至-40甚至-60℃，这会影响故障模式。此外，这个温度范围也有一些应用程序，例如航天。“本文的目的是研究几大部分含铅量焊料的脆性到韧性骨折转变温度。 实验 众所周知的一个摆锤冲击试验，“摆锤试验”，用以确定在断裂消耗的能源量，这是一个断裂韧性的措施材料，如温度的功能。“实验装置如图1所示。 对７种合金材料做了测试，结果如下： ·99.99wt.%Sn ·Sn-0.7wt.%Cu, ·Sn-0.7wt.%Cu (0.1wt.%Ni) ·Sn-3wt%Ag-0.5wt%Cu, ·Sn-4wt%Ag-0.5wt%Cu ·Sn-5wt%Ag ·Sn-37wt.%Pb,作为参考 根据所进行的测试ASTM E23标准的V型缺口样品大小为 10x10x55mm。对于某些样本大小为5x5x55mm的合金被使用，由于只有有限的物质可用。锤能量为50J和冲击速度为3.8米/秒。能源锤358J被用于多次测量时吸收能量大于50J。结果是由截面样品表面正
FA失效分析案例集
FA失效分析案例集 案例1：大电流导致器件金属融化 某产品在测试现场频频出现损坏，经过对返修进行分析，发现大部分返修产品均是某接口器件失效，对器件进行解剖后，在金相显微镜下观察，发现器件是由于EOS导致内部铝线融化，导致器件失效，该EOS能量较大。进一步分析和该铝条相连的管脚电路应用，发现电路设计应用不当，没有采用保护电路，在用户现场带电插拔产生的电浪涌导致该器件失效。通过模拟试验再现了失效现象。 解决方法：强调该产品不支持带电插拔，建议客户在测试或使用的过程，需等电源关掉后，在进行插拔动作。 1.jpg
案例2： 客户反馈显示异常，显示暗淡，颜色异常，通过示波器查看波形，发现波形异常，通过一系列测试，判断IC 驱动损坏，通过EMMI 测试发现照片如下： 放大细节：
分析芯片内部电路，低压逻辑部分损坏。 分析原因：此IC的抗ESD能力 发现 COM SEG PIN在MM模式下，更容易被击穿。在HMB模式，小于+/-3K的 ESD均OK. 此IC现象是由于ESD损坏IC，导致IC出现短路所致。 具体解决方法: 生产，测试的注意，注意检查机台是否漏电，检查每位员工的ESD环是否OK.
下面简单谈谈在开发过程中的一些建议： 要想设计质量可靠性达到要求的产品，主要有以下几个步骤： 1, 明确产品的质量可靠性要求， 如是消费级还是电信级，最终的客户是谁，客户的需求是什么，使用的环境是什么，产品返修率指标是多少？等等。。。。，由此确定产品的质量可靠性要求，作为产品规格明确下来。 2, 在明确质量可靠性规格以后进行产品总体设计，这时最重要的是选择和使用质量可靠性符合产品规格要求的器件. 比如产品的使用环境比较恶劣，如使用在高海拔、强辐射地区，则需要对应的选择合适的器件。如果在应用环境中，选用的器件本身的质量可靠性无法满足要求，那么这个设计从一开始就注定是失败的。 3,在选好器件后，就要考虑在设计应用中避免各种可能的应力对器件的损伤， 如ESD防护设计、电浪涌防护设计、热设计、环境应力设计等，考虑到各种可能应力，并进行降额设计或者进行最坏情况分析。另外，还要进行信号完整性分析，EMC兼容设计等，来保证设计的产品的功能可靠性。在这一阶段，FMEA（失效模式影响分析）也是必不可少的步骤。 4, 在设计阶段还要考虑产品的可加工性. 如生产线的ESD、MSL控制水平是多少，如果生产线最多只能保证100V的ESD水平，那么ESD等级低于100V的器件就不
机械零件的失效分析-学习领悟
机械零件的失效分析 失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。 失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。 一、零件的失效形式 失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。 1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效） ①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效） 弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。 ②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效） 塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。 2、断裂失效 ①塑性断裂 零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂； ②脆性断裂 脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断； ③疲劳断裂 在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂； ④蠕变断裂 在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效； 3、表面损伤 ①磨损失效 磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。磨损可能是被硬质点切削下来，也可能是在大的压力下焊合撕开，所以材料表面的硬度愈高，抵抗磨损的能力愈强。 磨粒磨损：相对运动的零件表面间嵌入硬质颗粒而造成的磨损 粘着磨损：两个相对运动零件表面的微观凸起发生粘合而撕裂 ②表面疲劳（在交变接触应力作用下，使机件表面产生点蚀而发生磨损）
工大金属材料失效分析(DOC)
3.刚的晶内偏析不可以通过热处理方法予以消除·······（×） 4.钢中氢含量偏高容易导致钢中出现气孔和白点·······（√） 5.魏氏组织会降低刚的强度，但是可以提高钢的韧性···（×） 6.钢中夹杂物会降低钢的塑性、韧性和疲劳强度·······（√） 7.钢的脱碳会降低钢的疲劳程度·····················（√） 8.焊缝延迟裂纹一般与焊缝中的含氢量有关···········（√） 9.焊缝淬火裂纹一般与焊缝中的马氏体有关···········（√） 10.磨损失效是金属构件失效的主要方式··············（×） 11.河流花样和舌状花样是脆性断口和典型微观形貌特征（√） 12.应力腐蚀开裂是应力和腐蚀共同作用的结果·······（√） 13.能谱成分分析技术可以用于钢中碳含量分析·······（×） 14.扫描电镜分析技术是建立在可见光反射原理基础之上的（×） 15.就金属断裂而言，正断可能是韧性的，而切断总是韧性的（√） 1、钢的晶内偏析可以通过何种热处理方法予以消除？ 扩散退火钢加热到上临界点(Ac3或Accm)以上的较高温度（一般为1050～1250℃），经过较长时间的充分保温，然后缓冷的热处理叫扩散退火，也叫均匀化退火。这种退火的目的是，借原子在高温下可以较快的扩散，减少或消除各种合金元素及非合金元素在钢中的显微偏析，使化学成分趋于均匀化，以达到改善钢的组织，提高钢的力学性能的目的。 2、钢中S、P杂质元素容易造成哪些性能缺陷？ S以Fes形态存在于钢中，Fes和Fe形成低共熔化合物，引起热脆。
P虽然可以提高钢的强度和硬度，但会引起塑性和冲击韧性的下降，使韧脆转变温度上升，引起冷脆。 3、钢中H元素容易造成哪些性能缺陷？ 钢中溶解的氢会导致氢脆，白点和氢致延迟断裂等缺陷 一是引起氢脆，即在低于钢材极限应力的作用下，经一定的时间后，突然断裂。二是导致钢材内部产生大量细微裂纹缺陷，即白点，白点使钢材的冲击韧性降低得很多。在钢材纵端面上呈光滑的银白的斑点，在酸洗后的端面上呈较多的发丝状裂纹，白点使钢材的延伸率显著下降，尤其是端面收缩率和冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零值。因此具有白点的钢是不能用的，这类缺陷主要发生在合金钢中。 4、魏氏组织对钢有哪些危害作用？ （1）.在最终热处理会有增大变形的倾向；（2）.使钢的力学性能尤其是塑性和冲击韧性显著降低，同时使脆性转折温度升高。魏氏组织不仅晶粒粗大,而且由于大量铁素体针片形成的脆弱面,使金属的韧性急剧下降,屈服强度当然也会降低。 5、钢中夹杂物会降低钢的哪些性能？ 钢中夹杂物包括C、Si、Mn、S、P、N、H、O等 C：随着钢中碳含量的增加，碳钢硬度上升，塑性和韧性降低。在亚共析范围内随着碳含量增加，抗拉强度不断提高。超过共析范围后，抗拉强度随碳含量的增加减缓，最后发展到随碳含量的增加抗拉强度降低。另外，含碳量增加时碳钢的耐蚀性降低，同时碳也使碳钢的焊接性能和冷加工（冲压、垃拔）性能变坏。 Si：硅含量的提高，钢的抗拉强度提高，屈服点提高，伸长率下降，钢的面缩率和冲击韧性显著降低。 Mn：锰对碳钢的力学性能有良好的影响，它能提高钢热轧后的硬度和强度，原因是锰溶入铁素体中引起固溶强化。 S:产生热脆
失效案例分析
工程材料失效分析 姓名：丁静 学号：201421803012
案例一乙烯裂解炉炉管破裂原因分析某石化公司化工一厂裂解车间CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉于1998年9月投入运行，1 999年4月检查发现一根裂解炉管发生泄漏。为查明炉管泄漏原因，对失效炉管进行了综合分析。 CBL一Ⅲ型乙烯裂解炉炉管工作温度为1050～llOO℃，材质化学成分（质量分数）为0.35~0.60%C;1.0%~2.0%Si;1.O%~1.50%Mn;33%~38%Ni;23%~28%Cr及微量Nb.Ti.Zr等。宏观观察失效炉管表面可以看出，泄漏部位炉管内、外壁均有两个孔坑，两个孔坑在内、外表面相互对应，孔坑边缘金属略有凸起，呈火山口状。仔细观察发现，在内壁两个孔坑附近表面有一约3 mm xl mm凸棱，凸棱略高于附近炉管表面（图11-1、图11-2）。
化学成分分析结果表明，失效炉管化学成分符合厂家技术要求。金相检查结果表明，失效炉管显微组织基体为奥氏体，晶界分布有骨架状碳化物，晶内和晶界分布有一定数量的颗粒状碳化物（图11-3）。 能谱分析结果表明，这些颗粒状碳化物为Nb.Zr.Ti或Cr的
碳化物。晶界分布的骨架状碳化物系以铬为主的碳化物。首先，采用扫描电镜观察了泄漏部位炉管内、外表面的放大形貌，观察发现，所有孔坑均存在白亮色块状物。通常，不导电的非金属氧化物或金属氧化物在电子束作用下因积累电荷而呈白亮色。能谱分析结果表明，白亮色块状物含有很高的稀土铈。分析认为，白亮色块状物为稀土氧化物。在泄漏部位，分别在内壁凸棱和孔坑两处，垂直于内表面制备了炉管横截面金相试样。可以看出，不论是凸棱对应部位，还是炉管内、外表面两个孔坑之间，炉管横截面均分布有宏观深灰色金属夹杂物，夹杂物在内、外表面两个孔坑之间连续贯通（图11-4）。 在扫描电镜下进一步观察、分析结果表明，两个横截面深灰色区域同样是稀土铈的氧化物（图11-5）。采用微型拉伸试样，对失效炉管进行了1100℃短时高温拉伸试验，其结果如表11-1所示。可以看出，失效炉管1100℃高温短时拉伸性能低于厂家相关技术要求。
金属--断裂与失效分析刘尚慈
金属断裂与失效分析（刘尚慈编） 第一章概述 失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。 失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。 第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序 一、现场调查 二、残骸分析 三、实验研究 （一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析 （二）无损检测 （三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析 （四）断口分析 （五）断裂力学分析 以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝ Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y
（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC/Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs)不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为： J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值 （六）模拟试验 四、综合分析 分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。
五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路 一、强度分析思路 二、断裂失效的统计分析 三、断裂失效分析的故障树技术 第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类 裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。 发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。 裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。 一、按宏观形态分为： （1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与
材料失效分析报告报告材料
上海应用技术学院 研究生课程（论文类）试卷 2 0 15 / 2 0 16 学年第二学期 课程名称：材料失效分析与寿命评估 课程代码：NX0102003 学生姓名：丁艳花 专业﹑学号：材料化学工程 156081101 学院：材料科学与工程学院
凝汽器铁管管壁减薄的失效分析报告 1.失效现象描述 秦山第三核电公司1#700M W重水堆核能发电机组2A凝汽器。该凝汽器从2002年8月起投入使用,实际运行时间8年左右。根据资料记载,1#机组第3次例行大修时,管外壁减薄程度较轻,但在第4次例行大修时发现管外壁减薄程度加深,在2010年5月第5次例行大修时发现部分钛管外壁减薄现象相当明显。各机组凝汽器缺陷管主要分布在冷凝管塔式分布的最外侧。据专业人员介绍,大修后对缺陷管抽管检查后发现,管壁减薄主要集中在支撑板处,减薄位置和减薄程度各不相同。如果让异常减薄缺陷管继续运行,有可能引起管穿孔的泄漏事件。 2.背景描述 凝汽器是大型汽轮机循环设备中的重要环节。其中的冷凝管起到将蒸汽凝结成水的作用,是凝汽器中的核心部件。冷凝管一旦发生破损将导致冷却水泄露并污染循环水,从而会对整个系统的正常运行造成严重影响。因此冷凝管的选材质量决定了凝汽器的安全可靠性与使用寿命。工业纯钛作为冷凝管最常用的材料,具有良好的力学性能与耐蚀性能。在复杂运行工况下,纯钛材料仍有可能发生磨损、腐蚀等常见的材料失效现象,引发冷凝管破损并导致冷却水泄露并污染循环水,由此对凝汽器的正常运行带来安全隐患。若不找到这一过早失效的真正起因,并采取有效的防护措施,最终必将导致钛管泄漏,不但经济损失巨大,甚至有可能引发重大安全事故。 国内关于凝汽器钛管的案例的产生原因大致可分为以下几类： 第一类,由于相关方面施工建造时就存在不当操作或不当设计导致运行中出现落物砸伤或凝汽器自身运行故障。如国华太仓发电超临界机组发生凝汽器钛管泄露导致冷凝水水质不合格,其原因在于上部低压加热器表面隔板未按规定安装,导致隔板掉落砸伤引起泄露。再如未充分考虑到钛管共振问题由于钛管本身管壁极薄(0.5mm到0.7mm),强烈的震动极易导致铁管破裂引起泄露,这点在宝钢电厂与大亚湾核电站的运行中已经得到了证实此外还存在着钛管板间焊接质量不良，
失效分析案例
佳木斯大学 失效分析案例
失效分析案例 0 零件背景： 某?外径为?450 mm, 壁厚为 50mm 的GCrl5SiMn 钢轴承圈 ,在最终热处理后进?磨削加?时,批量产?沿径向由外表?迅速向内表?扩展的开裂,造成很大的经济损失。其?产?艺为轧制(1050～1150℃锻造) 球化退火→机械加?→淬?(840 ℃)?回?(170℃)→磨削等?序。 1.1化学成分分析 取一部分试样碎末，利用化学元素分析仪分析零件成分。 从上表看出，零件的化学成分符合标准要求。 1.2 硬度分析 在?相抛光?上,从裂纹源处开始沿轴向至壁厚中部每隔 3 mm 检测其硬度。 表 2 显?,裂纹边缘硬度与内部硬度基本?致,硬度均大于 60 HRC,符合标准要求;?明显脱碳软化现象。
1.3 断口宏观形貌 采?机械加压?法使套圈沿裂纹断开,?先对断?形貌??眼观察。 ?线切割从试样断?处切取?块含有裂纹源区?裂纹扩展区?压断区的断?试样。?酒精清洗后在丙酮中?超声波清洗 20 min 取出?燥,?扫描电镜观察该断?形貌 通过?眼观察发现,裂纹源位于轴承套圈外表?沟槽尖?处。试样两断?均为裂纹扩展形成,裂纹长?平直,由轴承套圈外表?沿径向向内表?扩展,初始裂纹最深处约为 15 mm,裂纹总长约 60mm。初始裂纹有褐?氧化条纹,继续向?扩展为灰?,裂纹表?光滑细腻呈瓷状,属典型的脆性断?特征。新断?呈银灰?,断?组织细密有?属光泽,说明晶粒很细?。
由图 2a 可见,断?平齐呈放射状特征,没有明显的塑性变形迹象,断?结构呈细瓷状,边缘?明显剪切唇,也?纤维状。 由图 2b 可见,断?形貌为韧窝?解理断?,呈混合断?特征。大部分属于沿晶脆性开裂,沿晶分离?平滑,?微观塑性变形特征,晶粒均匀细?,?过热特征。但发现有很长很深的?条穿晶带(如箭头所?),认为应该存在某种链条状脆性组织缺陷。 由图 3 可见,新压断?处形貌与起裂处大体相同 ,断?形貌仍为韧窝?解理断? ,混合断?特征不变。说明裂纹处与新压断?处的组织相同。另外均未发现有明显的非?属夹杂物和?孔等缺陷。
失效分析的任务
失效分析的任务、方法及其展望 摘要：概述了失效与失效分析的概念,以及失效分析的意义、作用和任务;以防止失效为出发点,论述了失效分析的工作思路、程序和辩证方法;展望了失效分析的未来。 关键词：失效分析;失效分析反馈;失效预测预防 美国《金属手册》认为,机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时,就可定义为失效:①当它完全不能工作时;②仍然可以工作,但已不能令人满意地实现预期的功能时;③受到严重损伤不能可靠而安全地继续使用,必须立即从产品或装备拆下来进行修理或更换时。 机械产品及零部件常见的失效类型包括变形失效、损伤失效和断裂失效三大类。 机械产品及零部件的失效是一个由损伤(裂纹)萌生、扩展(积累)直至破坏的发展过程。不同失效类型其发展过程不同,过程的各个阶段发展速度也不相同。例如疲劳断裂过程一般较长,发展速度较慢,而解理断裂失效过程则很短,速度很快,等等。 机械产品及零部件在整个使用寿命期内失效发生的规律可用“寿命特性曲线”来说明,即用失效率(λ)———单位时间内发生失效的比率来描述失效的发展过程。那么在不进行预防性维修的情况下,失效率(λ)与其工作时间(t)之间具有图1所示的典型失效曲线,俗称“浴盆曲线”。按照“浴盆曲线”的形状,即按照机械产品使用的过程,可将失效分为三类。 图1 失效率浴盆曲线 (1)早期失效是在使用初期,由于设计和制造上的缺陷而诱发的失效。因为使用初期,容易暴露上述缺陷而导致失效,因此失效率往往较高,但随着使用时间的延长,其失效率则很快下降。假若在产品出厂前即进行旨在剔除这类缺陷的过程,则在产品正式使用时,便可使失效率大体保持恒定值。
(2)随机失效在理想的情况下,产品或装备发生损伤或老化之前,应是无“失效”的。但是由于环境的偶然变化、操作时的人为差错或者由于管理不善,仍可能产生随机失效或称偶然失效。偶然失效率是随机分布的,其很低而且基本上是恒定的。这一时期是产品最佳工作时间。偶然失效率(λ)的倒数即为失效的平均时间。 (3)耗损失效又称损伤累积失效。经过随机失效期后,产品中的零部件已到了寿命后期,于是失效开始急剧增加,这种失效叫做耗损失效或损伤累积失效。如果在进入耗损失效期之前进行必要的预防维修,它的失效率仍可保持在随机失效率附近,从而延长产品的随机失效期。 1 失效分析的意义与任务 1.1 失效分析及其意义 按一定的思路和方法判断失效性质、分析失效原因、研究失效事故处理方法和预防措施的技术活动及管理活动,统称失效分析。 失效分析预测预防是使失败转化为成功的科学,是产品或装备安全可靠运行的保证,是提高产品质量的重要途径,是科学技术进步的强有力杠杆,是许多重大法律、法规及技术标准制定的依据。它着眼于整个失效的系统工程分析。其意义和作用在于: (1)失效分析可减少和预防产品或装备同类失效现象重复发生,从而减少经济损失或提高产品质量。 (2)失效是产品质量控制网发生偏差的反映,失效分析是可靠性工程的重要基础技术工作,是产品全面质量管理 中的重要组成部分和关键技术环节。 (3)失效分析可为技术开发、技术改造、科学技术进步提供信息、方向、途径和方法。 (4)失效分析可为裁决事故责任、侦破犯罪案例、开展技术保险业务、修改和制订产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。 (5)失效分析可为各级领导进行宏观经济和技术决策提供重要的科学的信息来源。 1.2 失效分析的任务 失效分析预测预防的总任务就是不断降低产品或装备的失效率,提高可靠性,防止重大失效事故的发生,促进经 济高速持续稳定发展。从系统工程的观点来看,失效分析的具体任务可归纳为:①失效性质的判断;②失效原因的分析; ③采取措施,提高材料或产品的失效抗力。 近代材料科学和工程力学对破断、腐蚀、磨损及其复合型(或混合型)的失效类型和失效机理做了相当深入的研究,积累了大量的统计资料,为失效类型的判断、失效机理及失效原因的解释奠定了基础。发展中的可靠性工程及完整性与适用性评价是预测、预防和控制失效的技术工作和管理工作的基础。可靠性工程是运用系统工程的思想和方法,权衡经济利弊,研究将设备(系统)的失效率降到可接受程度的措施。完整性和适用性评价则是研究结构或构件中原有缺欠和使用中新产生的或扩展缺陷对可靠性的影响,判断结构的完整性及是否适合于继续使用,或是按预测的剩余寿命监控使用,或是降级使用,或是返修或报废的定量评价。
试用一个典型案例说明材料失效分析与基础学科及应用学科之间的关系
中原油田全油田有100多口井套管腐蚀穿孔，30多口井报废，200多口井套管待修。油井套管的最大穿孔速度为0.48mm/年。 对现场取出损坏的套管进行解剖分析。 1.套管腐蚀形貌：套管内壁分布腐蚀坑，腐蚀沿管轴纵向延伸呈马蹄形，其横断面为上宽下窄的梯形深谷状，管壁穿孔处周边锐利，界面清晰。从总体上看，套管内壁都附着黑色粘性油污，无明显腐蚀产物堆积，主要表现为坑蚀穿孔，并有一定的流体冲刷作用。 2.腐蚀产物XRD分析 取套管内壁物质，洗去油污，再用丙酮清洗吹干，进行X射线衍射分析。套管内壁腐蚀产物中主要有FeCO3和CaCO3，夹杂有NaCl和硫酸亚铁。腐蚀产物的主要成分为碳酸物，显示出套管、油管腐蚀与CO2腐蚀有关。 3.油套管材质的金相和非金属夹杂分析 采用电子探针分析仪进行钢基、夹杂物定性、定量和 元素面分析。 分析发现，大量细小球形暗灰色颗粒为Al2O3,短条状为ZnS，材质中夹杂物以二者为主。同时经电子探针元素定量分析表明，随着向腐蚀坑底的深入，表层元素中氧、硫、氯、钙、镁含量在增大。说明生成的腐蚀产物有氧化物、硫化铁、碳酸钙、碳酸镁等，并随腐蚀深入呈增加趋势。 4.腐蚀试验 （一）用油田水样对套管钢和油管钢进行了动态和静态腐蚀试验，温度50o C密闭除氧试验时间7天。结果表明：动态腐蚀速度远远大于静态腐蚀速度。（二）在此基础上又进行了不同流速对腐蚀影响的试验，说明介质流动能较大的
增加体系的腐蚀。 （三）不同CO2分压下，Q235钢在3℅NaCl熔液中的腐蚀速度。表明CO2压力越大，腐蚀越严重。 结论： （1）．复杂断块油田套管腐蚀失效主要是油井高矿化度产出水中CO2腐蚀作用的结果。 （2）．套管的局部腐蚀破裂形态与钢材中夹杂物的局部分布、流体冲刷有密切关系。 （3）．综合对腐蚀形态特征的观察判断，腐蚀产物的分析，材质金相非金属夹杂分析，可以找到套管腐蚀失效的主要原因。 由上面该案例的分析可以看出，材料失效分析与基础学科及应用学科之间有密不可分的关系。在进行分析的过程中会用到物理、化学、数学等基础学科。用到化学中的电镜对腐蚀形貌进行分析；会用到数学中的数学分析，对腐蚀速度等进行分析；会涉及到物理学中的结构方面的知识；还会用到地理学进行环境分析等等。在进行失效分析过程中还会用到应用学科，如计算机类，会用到计算机进行一系列的数值分析，图像分析；还会用到应用化学中的环境检测，质量检测等技术。总之，在进行腐蚀材料失效分析时，会综合运用到基础学科的知识和应用学科的技术。 2、试用两个实际的失案例说明材料实效分析的重要性。（既有文字说明，又有图片说明，不少于800字） 案例一：一起来自水管腐蚀失效的案例：广东某钢管公司铺设的自来水管使用六年后发生穿孔泄露。 1.本起穿孔失效发生的地点和环境无规律性，对穿孔管道进行仔细观察，典型的宏观外貌是穿孔部位有一直径为10mm的锈瘤，呈黄褐色，用硬器易刮除，刮除后露出的水管外壁基本平整，可见水从管内渗出。 在锈瘤的外围是一圈黄色锈迹，锈迹外是镀锌层，其上可见分散的白色粉末。现场观察到的形貌还有一个特点，就是同一根管若出现几处结瘤，这些结瘤点的连线与水管轴向平行。 2.水样检测及钢管材质检测 取该镇两个不同地点的水样，进行PH检测以及腐蚀性检测，并与实验室水进行比较。 项目取水点1 取水点2 实验室用水 PH 6.15 6.23 6.41