金屬斷裂失效分析

1、根據(jù)失效分析的目的和要求，一般還要進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究。其內(nèi)容包括以下幾個(gè)方面。1、宏觀檢驗(yàn)用肉眼或放大鏡檢驗(yàn)金屬表面，縱橫斷面、斷口上的各種組織和缺陷的方法叫做宏觀檢驗(yàn)。通過宏觀檢驗(yàn)?zāi)芙沂窘饘俚娜玻@示其組織的不均勻性和各種缺陷的形態(tài)、分布，對(duì)顏色、腐蝕、斷裂裂紋的萌生位置及裂紋的走向等都能迅速而準(zhǔn)確地識(shí)別出來。進(jìn)行斷口的宏觀分析。能得到斷裂表面整體的概貌特征，并在一定程度上了解破壞的原因?？纱_定失效件斷裂的裂紋萌生位置，裂紋的擴(kuò)展方向，判別斷裂的類型，構(gòu)件所承受的應(yīng)力類型，環(huán)境介質(zhì)、溫度對(duì)構(gòu)件斷裂的影響，變形程度及磨損情況。常用的宏觀檢驗(yàn)方法有酸浸試驗(yàn)、塔形車削發(fā)紋試驗(yàn)以及硫印試驗(yàn)等。（1）酸浸

2、試驗(yàn)酸浸試樣制備時(shí)取樣部位及數(shù)量按有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行，并嚴(yán)防因溫度升高而引起組織變化。切取試樣用鋸、剪、氣割和砂輪切割等方式：當(dāng)用氣割試樣時(shí)，必須將熱影響區(qū)除去，以免影響檢驗(yàn)結(jié)果。試樣檢驗(yàn)面可用車、包I、磨和金相砂紙磨制（02號(hào)砂紙），使表面粗糙度不低于3.2,并用汽油、酒精、苯等清洗去油。酸浸試驗(yàn)方法有三種。第一種是熱酸浸蝕試驗(yàn)法。主要用于表面缺陷、夾雜物、偏析區(qū)等被浸蝕劑有選擇性地浸蝕，表現(xiàn)出可看得見的浸蝕特征。酸蝕試驗(yàn)效果決定于浸蝕劑成分；浸蝕的溫度；浸蝕時(shí)間及浸蝕面的光潔度。第二種是冷酸浸蝕試驗(yàn)法。冷酸浸蝕試驗(yàn)法是檢查鋼的宏觀組織和缺陷的一種簡易方法。冷酸浸蝕是采用室溫下的酸溶液浸蝕和擦蝕樣

3、面，以顯示試樣的缺陷。通常，對(duì)于不使用熱酸浸蝕的鋼材或工件（例如工件已加工好，不便切開，又不得損壞工件的表面粗糙度），以及有些組織缺陷用熱酸不易顯現(xiàn)，有些奧氏體不銹鋼用熱鹽酸不易腐蝕時(shí)，均可用冷酸浸蝕法進(jìn)行試驗(yàn)。第三種電解酸蝕法。電解酸蝕法，就是用15%20%（容積比）工業(yè)鹽酸水溶液電解試樣表面的試驗(yàn)方法。這種方法的優(yōu)點(diǎn)是，可以用較稀（15%20%）的鹽酸水溶液在室溫下進(jìn)行浸蝕，可以縮短腐蝕時(shí)間，大大地改善勞動(dòng)條件和衛(wèi)生環(huán)境。此外，因電解腐蝕后鹽酸的性質(zhì)改變不大，一般可循環(huán)使用，節(jié)約酸液，用電解法顯示試樣的宏觀組織及缺陷比熱酸浸蝕法更清晰。（2）塔形試驗(yàn)塔形試驗(yàn)是用以檢驗(yàn)發(fā)紋不同深度的分布的一

4、種特殊試驗(yàn)：由于檢驗(yàn)的試樣制成“塔”的形狀即三級(jí)階梯形，故通常稱為塔形試驗(yàn)。塔形試驗(yàn)一般均分為三個(gè)階梯。試樣加工的要求、基本與熱酸浸試樣相同。試樣檢驗(yàn)前，也要進(jìn)行熱酸浸，其酸浸液、酸浸規(guī)范基本上與熱酸浸試驗(yàn)相同，只是一般浸蝕程度略輕，否則會(huì)對(duì)其后的檢驗(yàn)和鑒別造成不利影響。酸浸后，在各個(gè)階梯上會(huì)出現(xiàn)一些具有一定長度和一定深度的細(xì)小裂紋，即發(fā)紋。最后用肉眼或不大于10倍的放大鏡進(jìn)行檢查和鑒別。發(fā)紋是沿軋制方向分布的，具有一定長度和深度的細(xì)小裂紋。一般由于該裂紋很窄，光線射不到底，故只能看到有深度的黑色線條。順光時(shí)，個(gè)別較寬的發(fā)紋，可以看到灰暗色的底部。（3）硫印試驗(yàn)硫在鋼中以硫化物的形式存在（Fe

5、SMnS）,硫化鐵與鐵共晶溫度為989C,呈網(wǎng)狀分布于晶界，在熱壓力加工時(shí)極易產(chǎn)生“熱脆”現(xiàn)象，直接影響鋼材質(zhì)量。硫印的目的就是要顯示硫在鋼中的分布和偏析程度。硫印就是利用稀硫酸與鋼中的硫發(fā)生反應(yīng)，生成硫化氫氣體。硫化氫再與印相紙乳劑層中的澳化銀作用，在印相紙上生成棕色硫化銀沉淀。根據(jù)硫化銀棕色斑點(diǎn)的數(shù)量、大小、色澤深淺及分布的均勻性，來評(píng)定碳鋼、低中合金鋼的質(zhì)量。宏觀檢驗(yàn)的方法有多種，各自有它們的特點(diǎn)及適用范圍。酸浸試驗(yàn)對(duì)疏松、偏析、流線、裂紋等最適用；塔形發(fā)紋檢驗(yàn)一般用于有特殊用途的材料或高級(jí)優(yōu)質(zhì)材料上，用來檢驗(yàn)它們?cè)诟鱾€(gè)部位上的發(fā)紋多少和分布；硫印試驗(yàn)是用來測(cè)定鋼錠或鋼材上硫的分布，同時(shí)

6、也可以間接地對(duì)其他元素的分布概況和趨勢(shì)進(jìn)行推測(cè)和估計(jì)。各種方法在使用上各有側(cè)重，可單獨(dú)使用也可同時(shí)并用，相互補(bǔ)充，以期達(dá)到準(zhǔn)確測(cè)試的目的。2、微觀檢驗(yàn)宏觀檢驗(yàn)?zāi)軌颢@得很多信息，但要了解更多的細(xì)節(jié)和情況還必須再進(jìn)行微觀觀察。通過對(duì)斷口的微觀分析，除可以進(jìn)一步澄清斷裂的途徑、斷裂的性質(zhì)，環(huán)境介質(zhì)及溫度對(duì)斷裂的影響外，還能進(jìn)一步確定斷裂的原因及其斷裂機(jī)理等詳細(xì)情況。對(duì)斷口進(jìn)行顯微分析時(shí)，可使用光學(xué)顯微鏡、透射電鏡，掃描電鏡.俄歇電子能譜儀，離子探針，X射線衍射儀等儀器來研究。3、金相檢驗(yàn)金相檢驗(yàn)是一種常規(guī)的實(shí)驗(yàn)分析方法.它在失效分析中能提供被檢材料的大概種類和組織狀況。從檢驗(yàn)出的顯散組織來推斷或證實(shí)

7、被檢材料制造過程中經(jīng)歷的工藝過程，以及執(zhí)行這些工藝是否屬正常，同時(shí)還可提供失效件在發(fā)生事故時(shí)是否發(fā)生塑性變形等情況，以及失效件在使用過程中無意造成的熱處理效果等。反映出失效件在工作條件下發(fā)生的腐蝕（大致可以定性和對(duì)腐蝕程度的半定量）、磨損、氧化和嚴(yán)重的表面加工硬化等，并可初步確定其程度。從失效件上存在的裂紋，通過光學(xué)金相，大致可看出裂紋的發(fā)生及延伸分布的特征以及裂紋兩側(cè)的顯微組織，來判斷裂紋的性質(zhì)，從而可提供失效件裂紋的產(chǎn)生原因；夾雜物的類型、級(jí)別及分布；相的類型、大小及分布。4、無損檢驗(yàn)在進(jìn)行斷裂部件的性能測(cè)定時(shí)，需從斷裂件上取樣，這是有損檢驗(yàn)。為了對(duì)原有構(gòu)件的缺陷及裂紋分布情況做一次了解，

8、應(yīng)該首先進(jìn)行無損探傷。無損探傷有了解表面裂紋的著色探傷、磁粉探傷、探測(cè)內(nèi)部缺陷及裂紋分布的超聲探傷、X光探傷、渦流探傷等方法。超聲波探測(cè)深度可達(dá)幾米，特別適用于檢查零件內(nèi)部的裂紋、氣孔、夾渣、砂眼、疏松、未焊透等，能準(zhǔn)確測(cè)出缺陷的位置、大小和形狀。但是，它不能用于奧氏體鋼的鑄件和焊縫等粗晶材料和復(fù)雜形狀或表面粗糙的工件檢測(cè)。近年來，超聲波廣泛用來檢驗(yàn)金屬材料的質(zhì)量，并逐步成為金屬材料預(yù)檢或正式檢驗(yàn)的手段。渦流探傷能對(duì)表面或表皮下的缺陷及全部導(dǎo)電材料進(jìn)行檢驗(yàn)，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)記錄和高速檢驗(yàn)，適于連續(xù)監(jiān)測(cè)，但難以確定缺陷的種類。X射線探傷能夠探查材料內(nèi)部的變化和體積型缺陷，如氣孔、夾渣、縮孔、疏松等，能

9、提供永久性的照片記錄。但是，射線照相方法，不能用于檢測(cè)鍛件和型材中的缺陷。磁粉探傷適用于探測(cè)鐵磁性材料和工件的缺陷，如鍛件、焊縫、型材、鑄件等，并確定缺陷的位置，大小和形狀，但難以確定缺陷的深度。該方法不適用于探測(cè)非鐵磁性材料，如奧氏體鋼、銅、鋁等缺陷。滲透探傷的應(yīng)用范圍更加廣泛，可以用于探測(cè)所有金屬材料和致密性非金屬材料的缺陷，能確定缺陷的位置，大小和形狀，但不能確定缺陷的深度。該方法不能用于探測(cè)疏松的多孔性材料的缺陷。5、化學(xué)成分分析在失效分析中，化學(xué)成分分析是必不可少的。它能為失效分析提供有用的信息。如由于選材錯(cuò)誤所造成的失效，只需要用化學(xué)成分分析就能得到結(jié)果。利用X射線和熒光分析、能譜

10、分析、俄歇分析、電子探針、離子探針、激光探針等方法，對(duì)金屬的表面或內(nèi)部的成分進(jìn)行分析和研究。在進(jìn)行化學(xué)我分分析時(shí)，宏觀化學(xué)成分分析最常用，對(duì)于特殊情況，可采用微區(qū)化學(xué)成分分析。X射線分析技術(shù)是失效分析的有效技術(shù)之一。粉末照相法能識(shí)別基體金屬腐蝕產(chǎn)物，耐火材料和礦物中的各種相。用X射線衍射和熒光分析能對(duì)化學(xué)成分作定性和定量分析，能測(cè)定基體和析出的相以及它們間的取向、電化學(xué)萃取的第二相粒子、表面沉淀和腐蝕產(chǎn)物的成分和結(jié)構(gòu)。X射線衍射法還能對(duì)材料的品格參數(shù)、晶體缺陷、殘余內(nèi)應(yīng)力進(jìn)行測(cè)量。然而，由于它不是像顯微鏡那樣直觀可見的觀察？也無法把形貌觀察與晶體結(jié)構(gòu)分析微觀同位地結(jié)合起來，其分析樣品的最小區(qū)域

11、僅在毫米數(shù)量級(jí)？不能進(jìn)行微米及納米級(jí)的微區(qū)選擇分析。下表是常用實(shí)驗(yàn)分析方法的性能與用途比較。常用實(shí)驗(yàn)分析方法的性能與用途方法方法最小分析的線性放大倍數(shù)范圍主要用途光學(xué)金相顯微鏡1am402000顯微組織X射線衍射0.1mm相結(jié)構(gòu)分析透射電鏡(13)x1010m300100000組織、相結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣缺陷（空位、位錯(cuò)等）掃描電鏡0.060.1mm200000斷口、組織、缺陷微區(qū)電子衍射0.1-1nm相結(jié)構(gòu)電子探針0.1-150400000微區(qū)成分、表面形貌激光探針10m微區(qū)成分（靈敏度局）離子探針10m或表回0.01mm微量元素（109數(shù)量級(jí)）、H、B、C的分布俄歇電子能譜分析表面0.01mm23個(gè)

12、原子層的成分和組織6、力學(xué)性能測(cè)定對(duì)零部件進(jìn)行失效分析常要測(cè)定材料的硬度和力學(xué)性能。由于硬度的測(cè)量簡便易行，對(duì)失效分析常常是最有用的手段之一，可用于估計(jì)金屬材料的拉伸強(qiáng)度，估計(jì)熱處理是否合乎質(zhì)量要求，檢驗(yàn)由于過熱、脫碳、滲碳、滲氮和加工硬化等所引起的軟化和硬化等。力學(xué)性能測(cè)定常要進(jìn)行金屬的拉伸試驗(yàn)及沖擊試驗(yàn)，以便于比較。有時(shí)還需要做一些比使用溫度稍高或稍低的力學(xué)性能測(cè)量，以便對(duì)零部件在服役中是否有超溫情況作出判斷。此外還需考慮特殊性能測(cè)定，如疲勞試驗(yàn)、應(yīng)力腐蝕試驗(yàn)、韌脆轉(zhuǎn)變溫度測(cè)定、斷裂韌性測(cè)定等。在鋼材的初步檢驗(yàn)中，用簡單的彎曲試驗(yàn)就能查明材料是韌性還是脆性的。硬度測(cè)量能指示鋼材的抗拉強(qiáng)度。但對(duì)鑄鐵和大多數(shù)非鐵金屬材料還不能用彎曲和硬度測(cè)量來評(píng)估，而只能用拉伸來測(cè)量，這是因?yàn)樗麄冞€沒有建立起硬度與拉伸強(qiáng)度的對(duì)應(yīng)關(guān)系。一般非鐵金屬如鋁、銅及其合金的塑性較大，用簡單彎曲不能反映脆性或塑性的程度。與說明書的數(shù)據(jù)比較時(shí)，應(yīng)注意到試樣取向與材料加工方向之間的關(guān)系。通常，橫向試樣的拉伸強(qiáng)度比縱向的小些。一般來說，由于拉伸強(qiáng)度不足而引起損壞的例子并不多見。因此，力學(xué)性能測(cè)試主要起到復(fù)檢的作用和確定排除力學(xué)性能引起損壞的顧慮。7、斷裂力學(xué)分析失效分析應(yīng)用斷裂力學(xué)測(cè)量的目的，在于通過斷裂韌性的測(cè)試和分析，確定一個(gè)部件安全使用所能容納的裂紋尺寸，以及確定含有裂紋部件