失效分析案例
失效分析案例课件
图10 裂纹源扫描电镜照片ppt精选版
14
2.3 结果分析
• 塔架用钢的材料组织状态正常, 母材常温拉伸与低温冲击试验结果 表明, 材料的塑性储备良好, 在-40℃以上没有出现冷脆开裂的现象 及风险。
• 根据宏观分析和微观分析找到了塔架焊缝开裂的裂纹源——近表面 的、深约2mm的焊接缺陷。
8
2.2 断口形貌
1.宏观形貌分析
图4 塔筒内部裂纹宏观形貌照片
失效风电塔架的塔筒内部裂纹宏观形貌: 裂纹的早期扩展阶段，裂纹扩展平稳，属于慢应变速率条件下的宏观
脆性断裂。（图4上） 裂纹扩展的末期（即裂纹末端），裂纹起伏台阶特征明显，表明裂纹
扩展进入复杂应力区，p但pt精尚选未版 进入失稳快速扩展阶段。（图4下）9
断口的近表面层发现存在40-50μm深 的全屈服变形层变形层与基体交 界面部分出现平直细小的类似解 理裂纹。
图7 裂纹微观形貌照片 ppt精选版
12
2.微观形扫描电镜照片
（2）断口的扫描电镜分析
失效主裂纹在焊缝的一侧（图 8）, 金相裂纹两边存在一个约4050μm的变形组织, 变形层下有显微 开裂, 这些开裂与多次反复挤压变形 有关。
风电塔架的失效分析
ppt精选版
1
失效分析思路
• 调查收集背景资料 • 试样检验分析: 材料的化学成分，金相组织，力学性能等 • 深入分析: 断口的宏观及微观形貌分析，无损探伤检查等 • 综合分析归纳，确定失效原因 • 结论 • 改进措施
ppt精选版
2
目录
1
概况
2
失效分析
3
改进措施
ppt精选版
Contents
1.宏观形貌分析
金属材料失效分析案例PPT
04
案例四：金属材料脆性断裂 失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下 突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特 征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂 纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形， 无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低 了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如 切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生 电化学反应，导致表面氧 化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介 质的共同作用下发生脆性 断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐 蚀介质的共同作用下发生 疲劳断裂。
03
案例三：金属材料热疲劳失 效
失效现象描述
金属材料表面出现裂 纹
疲劳断裂，即在交变 应力的作用下发生的 断裂
02
疲劳断裂通常发生在应力集中的 部位，如缺口、裂纹或表面损伤 处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结 构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导 致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤 等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展 。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头 处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
感谢您的观看
THANKS
金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降， 容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由 于材料内部存在缺陷或应力集 中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧 性下降，容易发生脆性断裂。
失效案例分析
30
15
b.氢致开裂（HIC）
在钢的内部发生氢鼓 泡区域，当氢的压力 继续增高时，小的鼓 泡裂纹趋向于相互连 接，形成有阶梯特征 的氢致开裂。氢致开 裂发生不需要外加应 力（载荷应力、残余 应力），故从概念讲 不属于应力腐蚀破坏 范畴。
31
32
16
33
c.硫化物应力腐蚀开裂（SSCC）
• 硫化氢在液相水中，由于电化学的作用，在阴极反应时生成氢 原子渗透到钢的内部，溶解于晶格中，导致脆性增加（氢原子 渗透到钢的内部晶格，在亲和力的作用下生成氢分子，钢材晶 格发生变形，材料韧性下降，脆性增加），在外加拉应力或残 余应力的作用下形成开裂。
2、焊接裂纹有不同的特性，要根据不同的裂纹产生机理 及形式选择检测的时机与方法，提高检验的有效性。
• 延迟裂纹 • 液化裂纹
3、对于易产生焊接裂纹的钢种，一旦发现裂纹，应扩大 检验比例。
11
案例1：反应流出物换热器管箱入口不锈钢法兰开裂
某石化炼油厂，2010年大修检验发现，反应流出物换热器管箱入口 不锈钢法兰开裂。 主要原因：
P≤0.008%、Mn≤1.30%，且应进行抗HIC性能试验或恒 负荷拉伸试验。
40
20
在湿硫化氢应力腐蚀环境中使用的其它材料制设备和管 道应符合下列要求：
铬钼钢制设备和管道热处理后母材和焊接接头的硬度应不 大于HB225（1Cr-0.5Mo、1.25Cr-0.5Mo）、HB235 （2.25Cr-1Mo、5Cr-1Mo）或HB248（9Cr-1Mo）；
27
湿硫化氢环境分类（NACE 8X196） 一类：不选用抗HIC钢，可不做热处理 二类：可选抗HIC钢，要进行热处理 三类：选用抗HIC钢，要进行热处理
失效分析案例
5 金相分析
• 材质为3Cr13轴类零件推荐热处理工艺[1,2]为1000～1050℃ 淬火，640～670℃回火，调质后组织为保留马氏体位向的 回火索氏体
1#位置放大倍数为100、200和400是的金相
2#位置不同放大倍数时的金相
3#位置不同放大倍数时的金相
金相3#试样的金相组织为马 氏体+沿奥氏体相析出的网状碳化物；1#、2#、 3#试样中可以明显看到沿奥氏体相析出的网状碳 化物，可能是淬火处理时加热温度过高或保温时 间过长引起碳化物沿晶界析出和组织晶粒粗大， 会降低材料的力学性能；1#、2#、3#试样中可以 看到马氏体，与保留马氏体位向的回火索氏体不 符，推断泵轴调质处理时回火温度偏低，该泵轴 的热处理工艺可能存在问题。
改进建议
• 1）泵轴断裂处为轴径突变的轴肩处，在满足安装 工艺的条件下可适当增大此处的过渡圆角半径， 并注意提高加工表面质量； • 2）对离心泵轴进行无损检测，查看材质内部是否 存在缺陷，防止因内部缺陷引起应力集中； • 3）控制泵轴淬火时的加热温度和保温时间，使泵 轴经调质处理后的显微组织为马氏体位向的回火 索氏体，不允许有碳化物沿晶界网状的形态出现 。
Al 61.45 51.30 18.14 43.63 -
Si 0.86 0.95 3.14 1.65 ≤1.00
Cr 1.95 4.29 9.95 5.40 12.00~1 4.00
Ni 0.55 0.18 ≤0.60
泵轴微裂纹材质中Al和O含量严重偏高，分别为43.63% 和15.60%，化学成不符合GB/T1220-2007《不锈钢棒》 标准中对3Cr13成分的规定。推断裂纹内部物质为氧化 铝，在泵轴断口附近材质内部可能存在裂纹缺陷，这可 能是导致泵轴断裂的主要原因。
失效分析之经典案例
电子元器件失效分析技术与失效分析经典案例案例1 器件内部缺陷——导致整机批次性失效失效信息：整机是磁盘驱动器，制造过程整机的次品率正常为300ppm，某时起发现次品率波动，次品原因是霍尔器件极间漏电、短路。
图1 引出电极金属化（金）边缘脱落跨接图片析说明：引出电极金属化边两电极之间，在电压作用下漏电、击穿。
案例电极边缘脱落，跨接两电极引起电极之间漏电短路分缘有残边，残边在注塑时被冲开而跨接于这是器件的工艺缺陷，这种缺陷具有批次性的特征，该批器件在使用过程中失效率大，寿命短。
2：静电放电损伤失效图2 射频器件静电击穿照片（金相）图3 数字IC静电击穿照片SEM）分析说明：静电放电击穿典型的特征是能量小、线径小，飞狐、喷射。
主要发生在射频、能量释放时间短，其失效特征是击穿点微波器件，场效应器件、光电器件也常有静电放电击穿的案例。
案例3：外部引入异常电压引起通讯IC 输失效信息：分析说明：通讯芯片通讯端口上的传输线容易引入干扰电压（窄脉冲浪涌），干扰电压多次对通讯案例电流能力下降引起整机失效率异常增大某时起整机的市场维修率异常增大，维修增大是整机中的IGBT 功率器件失效引起的。
另外集成电路、出驱动失效通讯芯片在现场使用时发生失效，表现为通讯端口对地短路。
图4 通讯IC 输出管形貌（SEM ）图5 输出管电压击穿形貌（SEM ）IC 的通讯端内部电路起损伤作用，最终形成击穿通道。
4：功率器件失效信息：图6 IGBT 芯片呈现过电流失效特征图7 原来IGBT 的内部结构析说明：效样品表现为过电流失效。
整机维修率异常增大发生时更改IGBT 的型号。
IBGT 制造厂家给出新330W ，原来型号的IGBT 的功率指标为，其它指标没有变化。
两只芯片，多了一只反向释放二极管，两个型号的IGBT 芯片的面积一样大，显然，下降，因此，新型号的IGBT 的电流能分失型号的IGBT 的功率指标比为175W 但新型号的IGBT 内部结构（图6）仅有一只芯片，而原来型号的IGBT 有新型号的IGBT 的芯片要有部分面积来完成反向释放二极管的作用，由于IGBT 芯片有效面积的减小，导致其电流能力力不如原来型号的IGBT ，整机中IGBT 的工作电流比较临界，因此，使用过程中由于电流问题的发生大量失效。
失效分析案例讲解
原始资料收集及失效件初步检查
枪管加工工艺 枪管材料：30CrNi2WVA 军工钢(GJB) 长：111 mm 内径：9mm 壁厚：115 mm (内壁镀铬,有6条膛线) 原材料由φ42 mm的棒材通过锻造改拔成φ28 mm 的棒材,然后经以下工艺流程制成枪管成品: 下料→调质→深孔钻→电解抛光→挤丝→去应力→ 机加工→热处理→校直→机加工→酸洗(去除氧化膜) → 镀铬→打高压弹→磁粉探伤→检验→入成品库
失效机理分析及模拟验证 模拟验证试验
取20根与断裂枪管同状态的枪管进行校直模拟试验,对 枪管施加约1 t的压力使其变形,然后进行校直(以上工艺与 实际校直工序相同),校直后进行磁粉探伤,没有发现裂纹,因 此断裂不是由于校直裂纹扩展引起的。 探伤后,所有样品放在酸洗液(去除氧化膜酸溶液)中浸 30 min,取出后清洗并放置24 h,然后再次进行探伤, 5根枪 管出现了裂纹,长度在0.5-1cm之间,裂纹源在校直压点截面 的两侧,两侧均有裂纹产生。 对裂纹枪管进行高压试验,枪管马上断裂,其断口的宏观、 微观形貌与失效件基本一致,说明裂纹是由应力腐蚀引起的。
断口分析 断口宏观分析
宏观断口观察发现裂纹源在枪管内表面阴、阳线的交 界线上,裂纹扩展部分有明显的放射条纹,裂纹以裂源为中 心呈弧形向外扩展,最终断裂部位有明显的剪切唇。 用显微镜观察裂纹,发现裂纹源部分有约0.02 mm深 的渗铬层(图5白色部位),明显大于整体渗铬层深度(0.01 mm),说明枪管在内膛镀铬前已经产生了裂纹。
失效件初步检查
断裂枪管的裂纹都出现在管中部(图1),即进行校直时 的压点处。裂纹源在枪管内壁阴线与阳线的交界线上,成曲 线向外扩展,裂纹长度在410cm左右。根据断口的宏观形貌 (图2),可发现断口为脆性断口,裂源区、扩展区和瞬断区分 明。
最新失效分析经典案例分享
最新失效分析经典案例分享案例一：某知名手机品牌电池爆炸事件某知名手机品牌近期发生了一起电池爆炸事件，导致用户受伤。
经过详细的失效分析，发现电池在高温环境下，由于内部结构设计不合理，导致电池内部短路，进而引发爆炸。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须高度重视电池的安全性，严格把控电池的质量和性能。
案例二：某电动车品牌刹车失灵事件某电动车品牌近期发生了一起刹车失灵事件，导致用户在行驶过程中无法及时停车，造成交通事故。
经过失效分析，发现刹车系统中的传感器存在设计缺陷，导致刹车信号无法正常传输。
这一案例警示我们，在产品设计和生产过程中，必须关注关键部件的可靠性，确保产品的安全性。
案例三：某智能门锁品牌指纹识别失效事件某智能门锁品牌近期发生了一起指纹识别失效事件，导致用户无法正常使用门锁。
经过失效分析，发现指纹识别模块中的芯片存在质量问题，导致识别准确率下降。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须关注关键零部件的质量，确保产品的稳定性和可靠性。
最新失效分析经典案例分享案例四：某品牌空调制冷效果不佳事件某品牌空调近期被用户投诉制冷效果不佳，经过详细的失效分析，发现空调制冷系统中的冷凝器存在制造缺陷，导致制冷剂泄漏，影响了空调的制冷效果。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须重视冷凝器等关键部件的质量，确保空调的制冷效果。
案例五：某品牌笔记本电脑触摸屏失灵事件某品牌笔记本电脑近期发生了一起触摸屏失灵事件，导致用户无法正常使用触摸屏功能。
经过失效分析，发现触摸屏的传感器存在设计缺陷，导致触摸信号无法正常传输。
这一案例警示我们，在产品设计和生产过程中，必须关注触摸屏等关键部件的可靠性，确保产品的使用体验。
案例六：某品牌洗衣机漏水事件某品牌洗衣机近期发生了一起漏水事件，导致用户家中地面受损。
经过失效分析，发现洗衣机的排水系统存在设计缺陷，导致排水不畅，进而引发漏水。
这一案例提醒我们，在产品设计和生产过程中，必须关注排水系统等关键部件的设计，确保产品的使用安全。
失效分析实例
材料失效分析
材料失效分析
2、实验过程
• 图7 .58是两个断口表面的低倍放大照 片，图7. 59 和这两个端口表面的位 置和方向。在照片中分辨出两个明显 的区域：外表面，即承受载荷时的最 大纤维应力区，没有发生尺寸改变的 迹象，而在中心区域则看到一些尺寸 改变。此外在表面上有一些明显的塑 性变形，应该是发生最后断裂的地点。 • 将钳柄上的塑料套剥掉以曝露钳柄的 区域。钳的前部镀铬，直至塑料套的 边缘。钳柄的表面上有一层乌黑的物 质，该钳必定是要装塑料套后再进行 电镀的。表面上的乌黑层或是塑料套 留下的，或是一种热处理造成的。 • 目视检查后，分三步进行分析以决定 失效的原因。首先评价对改签剪线操 作的设计应力水平，之后对所用材料 及热处理工艺进行金相检验，最后利 用扫SEM对断口进行仔细的检验
材料失效分析
3、实验结果
• 断口形貌
低倍放大的断口形貌如图7.28所示，没有宏观塑性变形的迹 象。裂纹从左边缘向内扩展通过厚度1/4左右，断裂表面粗糙无 规律，而其余的断口表面是光滑的，在光滑的表面上可以看到贝 壳状花纹，故断裂模式是疲劳。粗糙的断口表面显示出这是最后 因超载而分离的区域并向前扩展到一个孔的边缘，表明疲劳裂纹 不是起源于此孔的边缘，而是沿着右边缘的。这一点在观察断口 表面时也就是在切开试样之后得到证实。贝壳状条纹的弯曲部分 表明疲劳裂纹直接起源于另一螺栓孔的下面(图7 .29)，与围绕 该螺栓孔的同心圆槽重合 • 在接近末端处偏离开其中之一螺棒孔的断口表面已严重研 磨（但仍能看到有贝壳状花纹）（图7. 28）而另一端则很少的 磨损伤，并发现有疲劳条纹（图7.31）（疲劳条纹在显微组织复 杂的钢中不常出现。本案例中的显微组织主要是晶粒尺寸均匀的 单相铁素体。）试块切开后产生的断口表面如图7 .32所示，且 有韧窝状的形貌，表面这个区域是因空洞聚集而产生的 •
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
佳木斯大学
失效分析案例
失效分析案例
0 零件背景：
某⼀外径为ø450 mm, 壁厚为 50mm 的GCrl5SiMn 钢轴承圈 ,在最终热处理后进⾏磨削加⼯时,批量产⽣沿径向由外表⾯迅速向内表⾯扩展的开裂,造成很大的经济损失。
其⽣产⼯艺为轧制(1050～1150℃锻造) 球化退火→机械加⼯→淬⽕(840 ℃)⼗回⽕(170℃)→磨削等⼯序。
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
在⾦相抛光⾯上,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 显⽰,裂纹边缘硬度与内部硬度基本⼀致,硬度均大于 60 HRC,符合标准要求;⽆明显脱碳软化现象。
1.3 断口宏观形貌
采⽤机械加压⽅法使套圈沿裂纹断开,⾸先对断⼝形貌⽤⾁眼观察。
⽤线切割从试样断⼝处切取⼀块含有裂纹源区⼗裂纹扩展区⼗压断区的断⼝试样。
⽤酒精清洗后在丙酮中⽤超声波清洗 20 min 取出⼲燥,⽤扫描电镜观察该断⼝形貌
通过⾁眼观察发现,裂纹源位于轴承套圈外表⾯沟槽尖⾓处。
试样两断⾯均为裂纹扩展形成,裂纹长⽽平直,由轴承套圈外表⾯沿径向向内表⾯扩展,初始裂纹最深处约为 15 mm,裂纹总长约 60mm。
初始裂纹有褐⾊氧化条纹,继续向⾥扩展为灰⾊,裂纹表⾯光滑细腻呈瓷状,属典型的脆性断⼝特征。
新断⼝呈银灰⾊,断⼝组织细密有⾦属光泽,说明晶粒很细⼩。
由图 2a 可见,断⼝平齐呈放射状特征,没有明显的塑性变形迹象,断⾯结构呈细瓷状,边缘⽆明显剪切唇,也⽆纤维状。
由图 2b 可见,断⼝形貌为韧窝⼗解理断⼝,呈混合断⼝特征。
大部分属于沿晶脆性开裂,沿晶分离⾯平滑,⽆微观塑性变形特征,晶粒均匀细⼩,⽆过热特征。
但发现有很长很深的⼀条穿晶带(如箭头所⽰),认为应该存在某种链条状脆性组织缺陷。
由图 3 可见,新压断⼝处形貌与起裂处大体相同 ,断⼝形貌仍为韧窝⼗解理断⼝ ,混合断⼝特征不变。
说明裂纹处与新压断⼝处的组织相同。
另外均未发现有明显的非⾦属夹杂物和⽓孔等缺陷。
1.4断口显微组织
在垂直于裂纹源断⾯⽅向的侧⾯作为⾦相试样端⾯ , 经机械磨抛后⽤ 4% 硝酸酒精溶液浸蚀 , 然后⽤光学显微镜观察其显微组织。
由图 4a 可见,断⼝处组织为细回⽕隐针马氏体⼗细⼩碳化物颗粒,未发现有过热的粗针马氏体,但发现有半封闭粗大⽹状分布的碳化物 (图中⽩亮⽹状组织〉存在。
按照JB/T l256⼀200l《⾼碳铬轴承钢滚动轴承零件热处理技术条件》规定,其⽹状碳化物为 3 级以上,超过标准要求的 2.5级。
回⽕组织符合标准要求,为⼀级回⽕组织。
图 4b 为另⼀处的显微组织 ,可见组织中有较严重的碳化物(⽩亮组织)偏析。
粗大⽹状碳化物和严重的碳化物偏析,对基体组织有很大的割裂作⽤ ,将大大增加组织脆性 ,因⽽淬⽕时在热应⼒和相变应⼒的作⽤下极易开裂。
因此,⽹状碳化物存在和碳化物偏析是引起轴承套圈开裂的主要原因。
2结果分析
由以上检测分析结果可见,GCrl5SiMn 钢轴承套圈的化学成分符合要求,硬度检测合格,尤其裂纹附近未出现脱碳软化现象,说明裂纹
不是在淬⽕前形成的。
由断⼝ SEM 形貌可见,晶粒细⼩均匀,未发现有明显的非⾦属夹杂物和⽓孔等缺陷。
碳化物颗粒和细隐针马氏体都很细⼩,组织合格⽆过热。
以上表明产品的球化退⽕和最终热处理⼯艺正确。
但从裂纹处 SEM 形貌中穿晶带的存在,到显微组织中半封闭粗大⽹状碳化物的出现以及碳化物组织的严重偏析,都说明引起套圈开裂的主要原因是:
(1) 钢材在轧制过程中,由于锻造⽐不够,造成碳化物组织的严重偏析。
（2) 始终锻温度偏⾼,尤其终锻温度偏⾼,在缓慢冷却过程中,沿晶界析出了粗大的半封闭⽹状分布的碳化物。
因⽽使材料的脆性显著增大,以至在淬⽕过程中致使材料开裂,导致产品在磨削中受外⼒作⽤使裂纹扩展⽽失效。
3 结论
(1) 轴承套圈的回⽕组织中存在半封闭⽹状分布碳化物并伴有碳化物偏析,不符合标准要求,是轴承套圈开裂失效的主要原因。
(2) 轴承套圈在轧制过程中,由于锻造⽐不够,存在碳化物组织的严重偏析;终锻温度偏⾼,冷却缓慢,造成碳化物沿晶界析出了呈粗⽝半封闭⽹状分布,使材料的脆性显著增大,致使材料在相变过程中产⽣裂纹,导致断裂。
(3) 建议对 GCrl5SiMn 钢轴承套圈增加锻造⽐;同时严格控制终锻温度在 800～850 °C ,采⽤分散锻件和加强通风等⼿段加快冷却速率。