失效分析的方法

11.1.3　失效分析的方法

零部件失效造成的危害是巨大的，因而失效分析越来越受到重视。通过失效分析，找出失效原因和预防措施，可以改进产品结构，提高产品质量，发现管理漏洞，提高管理水平，从而提高经济效益和社会效益。由于零件的失效形式不同，因此失效分析的方法和过程也有所区别，对于零件失效的分析过程主要包括以下几个步骤。

1.失效件的收集和处理

对断裂的失效件碎块进行收集和保存。应注意收集起所有的断裂碎块，以便确定主要的断口和进行断口分析。同时注意保护断口和断口碎块的洁净和新鲜，对于洁净的断口，应及时放入干燥器内进行保护；对有油污的断口应进行清洁处理，依次采用汽油、丙酮、无水乙醇清洗，再用热风吹干，然后放入干燥器内；对于附有腐蚀产物的断口，可暂不清除腐蚀物，直接放入干燥器内，以供分析原因时作参考依据。

2.现场和背景资料调查

通过翻阅有关技术资料和检测报告、检测同批原材料、询问生产人员等方式，详细了解零件的材质状况、锻造质量、机械加工质量、热处理和表面处理质量、装配质量以及使用条件与维护等情况，核实各个环节是否符合有关标准规定和技术要求。

3．失效件的检验

在对失效的现场和背景资料做了调查研究的基础上，就需要对收集到的失效件进行观察和检测，以便确定失效类型，探讨失效的原因。

（1）缺陷分析

实践证明，零件的失效往往是由于材料缺陷造成的，因此，分析判断缺陷的性质、形状和大小及分布是确定失效原因的主要检验方法。对于原材料中的缺陷，主要用侵蚀法，而零件中的缺陷往往用无损检测法。无损检测也称为非破坏检测，是利用声学、磁学性质来检测零件内部的缺陷。它的最大优点是不破坏零件的形状即可检测出内部缺陷，如裂纹、夹杂物、白点等的大小、数量分布。最常见的无损检测方法有超声波探伤、射线探伤、磁粉探伤等。

（2）断口分析

断口分析就是对断口的宏观形貌和微观形貌进行分析。分析的结果能为进一步确定断裂的性质、类型和原因提供重要依据。

断口的宏观分析是指用肉眼、放大镜或体视显微镜来观察和分析断口的形貌。宏观分析的主要目的：对主断口有一个全面的了解；初步确定断裂的类型和方式，为判明断裂失效的性质（如脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力腐蚀断裂等提供依据）；初步判断金属材料断裂源的位置和裂纹扩展方向；估计断裂失效件应力集中的程度和名义应力的高低；观察材料的冶金质量和热处理质量，尤其是仔细观察断裂源区有无宏观缺陷；初步判断材料的强度水平、工作温度、工作环境等。断口的微观分析是对宏观断口分析结果的进一步确认。一般用扫描电子显微镜和透射电子显微镜观察和分析断口形貌。

（3）化学成分分析

材料的性能首先决定于其化学成分，所以通常对失效件进行成分分析，检验零件是由何种材料制造，材料的化学成分是否符合标准规定。在有的情况下，还要对材料的表面沉积物、腐蚀物、夹杂物、第二相进行定性或定量化学分析，为失效分析结论提出依据。材料成分分析多采用化学分析法和光谱分析法。微区的化学成分分析多采用电子探针、离子探针、俄歇电子能谱仪等分析方法。

（4）力学性能测试

常见的力学性能指标包括强度、塑性、韧性、硬度、疲劳强度等。这些性能指标可通过拉伸试验、冲击试验、硬度试验、磨损试验、疲劳试验、断裂韧性试验等求得。力学性能指标一般已经标准化，可按国家推荐的标准方法执行。

对失效零件做力学性能分析时，必须根据构件的具体受力情况和断裂类型分别测试不同性能。处于平面应力状态下发生失效零件主要测试强度指标如bσ、sσ和塑性指标δ、ψ以及冲击韧性_ka。处在平面应变状态的失效主要测试韧—脆转变温度、平面应变断裂韧性K_IC、应力腐蚀临界应力强度因子K_ISCC和裂纹扩展速率。若零件承受交变载荷，还应测试疲劳强度₁₋σ和疲劳裂纹扩展速率等。

（5）组织观察与结构分析

通过对失效件的组织结构检验分析，可判定零件所用材料、处理工艺等是否符合要求。组织观察常用的仪器是金相显微镜，利用金相显微镜可以观察：①夹杂物的类型、大小、数量和分布；②显微组织及晶粒大小是否正常；③析出相的分布及有无腐蚀或氧化产物出现；④裂纹的数量、形态、分布和走向等。结构分析是确定材料中组织和相的类型，从而判断组织结构是否正常，应用萃取复型技术可直接在断口上获得夹杂物、第二相、腐蚀产物等，再通过选区电子衍射确定其结构。

（6）其他试验方法

对于重要且复杂的失效产品，为分析零件的服役情况，采用试验性应力测定方法如静态应变电测法、脆性涂层法、光弹法、X射线法等测定损害零件应力及残余应力的大小和性质。

为了验证现场调查和试验分析中所确定的失效原因，安装实际工况条件，对失效的同类机件进行模拟试验，以使故障再现，显示失效的发展过程，机件破坏顺序，失效形式，这在残骸不全、证据不充分的情况下是经常采用的一种方法。

4．综合分析，写出报告

失效分析的根本目的是防止失效的再发生，因而确定失效原因后，还要根据判明的失效原因，提出改进的措施，并按措施改进后进行试验直至跟踪实际运行。如果运行正常，则失效分析工作结束。在失效分析工作达到预期目的后，应对进行的工作、所获得的资料进行集中整理、做出结论，写出分析报告。