【正文】 金屬構(gòu)件失效分析 王鳳芹 第一章 概述 第二章 失效分析基礎(chǔ)知識 第三章 金屬構(gòu)件常見失效形式及其判斷 第四章 失效分析的思路、程序和基本技能 第五章 失效分析實例 1 概 述 金屬構(gòu)件的失效及失效分析 失效 金屬裝備及其構(gòu)件在使用過程中，由于壓力、時間、溫度和環(huán)境介質(zhì)和操作失誤等因素的作用，喪失其規(guī)定功能的現(xiàn)象。 例子： 1979年 9月 7日 ，中國某電化廠氯氣車間的液氯鋼瓶爆炸，使 10t液氯外溢擴散，波及范圍 7． 25km2，致使 59人死亡， 779人中毒，當(dāng)時統(tǒng)計的直接經(jīng)濟(jì)損失達(dá) 63萬元。 1984年 12月 3日凌晨 ，在印度博帕爾市的美國聯(lián)合碳化物公司所屬的 —家化工廠，由于安全裝置失靈，系統(tǒng)升壓導(dǎo)致儲罐管路破裂，泄出大量毒氣，造成 375人死亡， 2022人重傷。該市 50萬居民中有 20萬受到毒氣的侵害，其中 2萬人需要住院治療。有關(guān)方面要求美國公司賠償 150億美元的損失費。 失效分析 對裝備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的 特征及規(guī)律 進(jìn)行分析研究，從中找出產(chǎn)生失效的主要 原因及防止失效的措施 ，稱為失效分析。 失效分析目的 通過對失效件的分析，明確失效類型、找出失效原因，采取改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似的失效在設(shè)計壽命范圍內(nèi)再發(fā)生，對裝備及其構(gòu)件在以后的設(shè)計、選材、加工及使用都有指導(dǎo)意義 。 從技術(shù)上和經(jīng)濟(jì)上都沒有必要要求金屬裝備永不失效，失效分析的目的不在于造出具有無限使用壽命的裝備，而是確保裝備在給定的壽命期限內(nèi)不發(fā)生早期失效，或只需要更換易損構(gòu)件，或把裝備的失效限制在預(yù)先規(guī)定的范圍之內(nèi)， 希望對失效的過程進(jìn)行監(jiān)測、預(yù)警，以便采取緊急措施，避免機毀人亡的災(zāi)難 。 促進(jìn)科學(xué)技術(shù)的發(fā)展 失效分析是對事物認(rèn)識的一個復(fù)雜過程，通過多學(xué)科交叉分析，找到失效的原因，不僅可以防止同樣的失效再發(fā)生，而且能更進(jìn)一步完善裝備構(gòu)件的功能，并促進(jìn)與之相關(guān)的各項工作的改進(jìn)。 失效、認(rèn)識 (失效分析 )、提高、再失效、再認(rèn)識、再提高 ，由此促進(jìn)了科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。 提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量 從設(shè)計、材料、制造等各方面進(jìn)行改進(jìn)，便可提高裝備及其構(gòu)件的質(zhì)量。 具有高經(jīng)濟(jì)效益和社會效益 金屬構(gòu)件的失效形式及失效原因是密切相關(guān)的， 失效形式是構(gòu)件失效過程的表觀特征，是可以觀察的。 而失效原因是導(dǎo)致構(gòu)件失效的物理化學(xué)機制， 是需要通過失效過程調(diào)查研究及對失效件的宏觀、微觀分析去診斷、發(fā)現(xiàn)和論證的。 失效形式 彈性變形失效 當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時，就出現(xiàn)彈性變形失效。 塑性變形失效 當(dāng)受裁荷的構(gòu)件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時，就出現(xiàn)塑性變形失效。 韌性斷裂失效 構(gòu)件在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。 脆性斷裂失效 構(gòu)件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。 疲勞斷裂失效 構(gòu)件在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。 腐蝕失效 腐蝕是材料表面與服投環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及構(gòu)件表面的 均勻腐蝕 和只在局部地方出現(xiàn)的 局部腐蝕 ，局部腐蝕又有點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。 磨損失效 當(dāng)材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時 ， 由于物理和化學(xué)的作用 ， 材料表面的形狀 、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過程 ， 稱為磨損 。 由磨損而導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失 ， 稱為磨損失效 。 磨損有多種形式 ， 其中常見粘著磨損 、磨料磨損 、 沖擊磨損 、 微動磨損 、 腐蝕磨損 、 疲勞磨損等 。 引起失效的原因 ? 設(shè)計不合理 其中結(jié)構(gòu)或形狀不合理，構(gòu)件存在缺口、小圓弧轉(zhuǎn)角、不同形狀過渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū)，未能恰當(dāng)設(shè)計引起的失效比較常見。 總之，設(shè)計中的過載荷、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當(dāng)、安全系數(shù)過小(追求輕巧和高速度 )及配合不合適等都會導(dǎo)致構(gòu)件及裝備失效。構(gòu)件及裝備的設(shè)計要有足夠的強度、剛度、穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理。 分析設(shè)計原因引起失效尤其要注意： 對復(fù)雜構(gòu)件未作可靠的應(yīng)力計算；或?qū)?gòu)件在服役中所承受的非正常工作載荷的類型及大小未作考慮；甚至于對工作載荷確定和應(yīng)力分析準(zhǔn)確的構(gòu)件來說，如果只考慮拉伸強度和屈服強度數(shù)據(jù)的靜載荷能力，而忽視了脆性斷裂、低循環(huán)疲勞、應(yīng)力腐蝕及腐蝕疲勞等機理可能引起的失效，都會在設(shè)計上造成嚴(yán)重的錯誤。 ? 選材不當(dāng)及材料缺陷 金屬裝備及構(gòu)件的材料選擇要遵循 使用性原則、加工工藝性能原則及經(jīng)濟(jì)性原則 ，遵循使用性原則是首先要考慮的。使用在特定環(huán)境中的構(gòu)件，對可預(yù)見的失效形式要為其選擇足夠的抵抗失效的能力。 如 對韌性材料可能產(chǎn)生的屈服變形或斷裂，應(yīng)該選擇足夠的拉伸強度和屈服強度；但對可能產(chǎn)生的脆性斷裂、疲勞及應(yīng)力腐蝕開裂的環(huán)境條件，高強度的材料往往適得其反。在符合使用性能的原則下選取的結(jié)構(gòu)材料，對構(gòu)件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前題下，經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的。 ? 制造工藝不合理 金屬裝備及其構(gòu)件往往要經(jīng)過 機加工 (車、銑、刨、磨、鉆等 )、 冷熱成形 (沖、壓、卷、彎等 )、 焊接、裝配 等制造工藝過程。若工藝規(guī)范制訂欠合理，則金屬設(shè)備或構(gòu)件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如 機加工 常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕； 冷熱成形 的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在 焊接 時可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷 (咬邊、焊縫凹陷、焊縫過高 )、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷 (未焊透、氣孔、夾渣 )，焊接的熱影響區(qū)更因在焊接過程經(jīng)受的溫度不同，使其發(fā)生組織轉(zhuǎn)變不同，有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷； 組裝 的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如超過限度則會導(dǎo)致構(gòu)件以及裝備早期失效。 ?使用操作不當(dāng)和維修不當(dāng) 使用操作不當(dāng)是金屬裝備失效的重要原因之一， 如違章操作，超載、超溫、超速；缺乏經(jīng)驗、判斷錯誤；無知和訓(xùn)練不夠；主觀臆測、責(zé)任心不強、粗心大意等都是不安全的行為 。某時期統(tǒng)計 260次壓力容器和鍋爐事故中，操作事故 194次，占％。 裝備是要進(jìn)行定期維修和保養(yǎng)的，如對裝備的檢查、檢修和更換不及時或沒有采取適當(dāng)?shù)男蘩?、防護(hù)措施，也會引起裝備早期失效。 失效分析與其他學(xué)科的關(guān)系 失效分析的歷史發(fā)展?fàn)顩r 一般把失效分析的發(fā)展歷史分為三個階段 ， 即失效分析的初級階段 、 近代失效分析階段及現(xiàn)代失效分析階段 。 第一次世界工業(yè)革命前是失效分析的初級階段 ， 失效分析受到真正重視是從以蒸汽動力和大機器生產(chǎn)為代表的世界工業(yè)革命開始 ， 此為失效分析的第二階段 ， 此階段一直延至 20世紀(jì)50年代末 ， 又稱為近代失效分析階段 。 20世紀(jì) 50年代以后 ， 隨著電子行業(yè)的興起 ， 微觀觀測儀器的出現(xiàn) ， 特別是分辨率高 、放大倍率大 、 景深長的透射及掃描電子顯微鏡的問世 ， 使失效分析擴大了視野 ， 洞穿失效的微觀機制 ， 隨后大量現(xiàn)代物理測試技術(shù)的應(yīng)用 ， 失效分析現(xiàn)處在第三階段的歷史發(fā)展時期 ， 這是現(xiàn)代失效分析階段 。 失效分析工作者的主要任務(wù)和應(yīng)具備的基本素質(zhì) 主要任務(wù) ① 深入裝備失效現(xiàn)場、廣泛收集、調(diào)查失效信息，尋找失效構(gòu)件及相關(guān) 實物證據(jù) 。 ② 對失效構(gòu)件進(jìn)行全面深入的 宏觀分析 ，通過種類認(rèn)定推理，初步確定失效件的失效類型。 ③ 對失效件及其相關(guān)證物展開必要的 微觀分析 、理化檢驗，進(jìn)一步查找失效的原因。 ④ 通過歸納、演繹、類比、假設(shè)、選擇性推理，建立整個失效過程及其失效原因之間的聯(lián)系，進(jìn)行 綜合性分析 。 ⑤ 在可能的情況下，對重大的失效事件進(jìn)行 模擬試驗 ，驗證因果分析的正確性。 應(yīng)具備的基本素質(zhì) 鑒于失效分析的重要性、復(fù)雜性和特殊性，失效分析人員應(yīng)在實踐中逐步完善，并應(yīng)具備以下基本素質(zhì)。 ① 徹底的求實精神和嚴(yán)謹(jǐn)?shù)墓ぷ鲬B(tài)度 ，在任何情況下都要堅持實事求是，認(rèn)真負(fù)責(zé)，勇于堅持真理，修正錯誤。 ② 敏銳的觀察力和熟練的分析技術(shù) ，善于利用一切手段(包括先進(jìn)的儀器、設(shè)備 )取得失效的信息和證據(jù)。 ③ 正確的失效分析思路和對失效分析形式、失效原因有良好的判斷能力 ，要有“醫(yī)生的思路，偵探的技巧”。 ④ 善于學(xué)習(xí)，向書本學(xué)習(xí)，向?qū)嵺`學(xué)習(xí)，向同行學(xué)習(xí)，向一切可能共事的人們學(xué)習(xí)。 ⑤ 要有扎實的專業(yè)基礎(chǔ)知識和較 寬廣的知識面 ，工作能力要強，辦事效率要高。 2 失效分析基礎(chǔ)知識 金屬構(gòu)件中可能引起失效的常見缺陷 鑄態(tài)金屬組織缺陷 鑄態(tài)金屬常見的組織缺陷有縮孔、疏松、偏忻、內(nèi)裂紋、氣泡和白點等。 (1)縮孔與疏松 金屬在冷凝過程中由于體積的收縮而在鑄錠或鑄件心部形成管狀 (或喇叭狀 )或分散的孔洞，稱為縮孔 ?？s孔的相對體積，與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件以及鑄錠的大小等有關(guān)。液態(tài)金屬的溫度越高，則液體與固體之間的體積差越大，而縮孔的體積也越大。向薄壁鑄型中澆注金屬時，型壁越薄、則受熱越快，液態(tài)金屬越不易冷卻，在剛澆完鑄型時，液態(tài)金屬的體積就越大，金屬冷凝后的縮孔也就越大。 如在 急劇冷卻 的條件下澆注金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔。但在此情況下，液態(tài)金屬與固態(tài)金屬之間的體積差仍保持一定的數(shù)值，雖然在表面上似乎已經(jīng)“消除”了大的縮孔，可是 有許多細(xì)小縮孔即疏松 ，分布在金屬的整個體積中。 鋼材在 鍛造和軋制 過程中，疏松情況可得到很大程度的改善，但如由于原鋼錠的疏松較為嚴(yán)重、壓縮比不足等原因，則在熱加工后較嚴(yán)重的疏松仍會存在。圖 22(b)所示為 2crl3鋼熱軋后退火仍有黑色小點顯示的中心疏松。此外，如原鋼錠中存在著較多的氣泡，而在熱軋過程中焊合不良，或沸騰鋼中的氣泡分布不良，以致影響焊合，亦可能形成疏松。 疏松的存在具有較大的危害性，主要有以下幾種 : ① 在鑄件中，由于疏松的存在，顯著降低其力學(xué)性能，可能使其在使用過程中成為疲勞源發(fā)生斷裂。 此外， 在用作液體容器或管道的鑄件中，有時會存在基本上相互連接的疏松，以致不能通過水壓試驗，或在使用過程中發(fā)生滲漏現(xiàn)象。 ② 鋼材中如存在疏松，亦會降低其力學(xué)性能，但因在熱加工過程中一般能減少或消除疏松，故疏松對鋼材性能的影響比鑄件的小。 ③ 金屬中存在較嚴(yán)重的疏松，對機械加工后的表面粗糙度有一定的影響。 （ 2）偏析 金屬在冷凝過程中，由于某些因素的影響而形成的化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象稱為偏析。 ①晶內(nèi)偏析與晶間偏析 由于擴散不足，在凝固后的金屬中，便存在晶體范圍內(nèi)的成分不均勻現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析?；谕辉?，在固溶體金屬中，后凝固的晶體與先凝固的晶體成分也會不同，即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。 ②區(qū)域偏析 在澆注鑄錠 (或鑄件 )時，由于通過鑄型壁強烈的定向散熱，在進(jìn)行著凝固的合金內(nèi)便形成一個較大的溫差。結(jié)果就 必然導(dǎo)致外層區(qū)域富集高熔點組元，而心部則富集低熔點組元 ，同時也富集著凝固時析出的非金屬雜質(zhì)和氣體等。這種偏析稱為區(qū)域偏析。 ③比重偏析 在金屬冷凝過程中，如果析出的晶體與余下的溶液兩者密度不同時，這些晶體便傾向于在溶液中下沉或上浮。由此所形成的化學(xué)成分的不均勻現(xiàn)象，稱為比重偏析。 晶體與余下的溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。這種密度差取決于金屬組元的密度差，以及晶體與溶液之間的成分差。 如果冷卻越緩慢 ，隨著溫度降低初生晶體數(shù)量的增加越緩慢，則晶體在溶液中能自由浮沉的溫度范圍越大，因而 比重偏析也越強烈 。 (3)氣泡與白點 金屬在熔融狀態(tài)時能溶解大量的氣體，在冷凝過程中由于溶解度隨溫度的降低而急劇地減小，致使氣體從液態(tài)金屬中釋放出來。若此時金屬已完全凝固， 則剩下的氣體不易逸出有一部分就包容在還處于塑性狀態(tài)的金屬中，于是形成了氣孔，這種氣孔稱為氣泡。 氣泡的有害影響表現(xiàn)如下： ① 氣泡減少金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應(yīng)，大大降低了材料的強度。 ② 當(dāng)鑄錠表面存在著氣泡時，在熱鍛加熱時它們可能被氧化，以致在隨后的鍛壓過程中不能焊合而形成細(xì)紋或裂縫。 ③ 在沸騰鋼及某些合金中，由