机械零部件失效分析的方法和步骤

第一章机械零部件失效分析的方法和步骤

1、失效分析与机械设计的关系

机械产品丧失其规定功能的事件称为机械产品的失效。失效常发生在产品使用过程中，也发生在试运转过程中，甚至可能发生在使用前的存放过程中。以同类产品使用寿命期内失效事件总数为基数的统计数据表明，寿命早期失效率较高，晚期的失效率也较高，而中期较长时间的失效率很低，典型的失效率曲线呈浴盘状曲线。机械产品的早期失效案例尤其值得重视。它们常常暴露出设计和制造工艺中各种的欠缺和不当，及时的失效分析有利于改进和提高产品的质量。晚期失效分析反应出机械产品耗损期的诸多病端失效分析有利于提高产品的使用寿命。

针对机械产品失效案例进行的技术和管理活动称为失效分析。失效分析的主要内容是查明失效的具体原因（失效诊断）和提出预防和补救措施（失效对策）。失效分析的主要目标是防止同类失效事件的再次发生和提高产品质量。

机械产品的恶性失效事故造成重大经济损失，甚至人员伤亡，例如飞机坠落，大型机组毁坏，大型压力容器爆炸，这种特大事故发生后，通常开展大规模的调查活动。如果确认或怀疑事故是由机械零部件失效而造成，就会进行一系列失效分析活动，包括各种试验和研究工作。由于领导部门重视，投入较大，研究工作深入，常能达到预期目标。

中、小型失效事件或事故，也应该进行相应的失效分析活动。而各单位和厂家对于所发生失效事件的重视程度有很大的差异。有一些厂家极重视其产品的失效案例，买回典型的失效零部件，进行认真分析研究。许多设计师经常调查所设计机械设备使用中失效情况，作为改善设计的重要依据。“失败乃成功之母”，概略地说明了失效分析与机械设计间的关系。2、机械产品失效分类

机械产品失效分类有两种主要系统：按照失效类型分类；按照失效原因分类。

机械产品失效类型有五大类：变形、断裂、腐蚀、磨损和老化。还可以进一步细分为更多的类型，断裂失效可分为塑性断裂、脆性断裂、环境促进断裂和高温断裂。还有一些复合的失效类型，例如微动腐蚀疲劳是磨损、化学腐蚀和疲劳断裂的综合。

机械产品失效原因分为四大类：设计不当、制造工艺不当、材料冶金缺陷和使用操作失误。每一类中都有其具体原因，例如制造工艺不当可能涉及切削加工、热处理、电镀或装配的具体工艺。确定失效原因是一项复杂的工作，涉及的学科门类宽广；当机械设备毁坏严重时，查找证据困难；失效原因认定涉及到事故责任单位和责任，经常发生争议和互相推诿。失效分析是依据试验结果和证据作出结论，失效分析工作者必须坚持客观性和公正性。

上述四类失效原因也可分为两类。前三类原因都与机械产品品质有关，由机械设计和制造单位负责，简称为机械失效。操作原因造成的失效，一般与产品品质无直接因果关系，由产品的使用单位负责。

对于各类机械产品的失效原因，有关领导部门或研究单位会发布一定时期内各类失效原因的统计数据，可供参考。例如：美国空军发布的一项3824次飞机失效事件统计时，操作原因占41%，机械失效约占43%，气象原因占3%，不明原因占13%。

3、失效分析的步骤

失效分析的实施步骤旨在保证这项活动顺利的进行和完成。下面推荐通用的失效分析实施步骤，可供参考。由于每个失效事件的重要程度和规模大小不同，对失效分析的要求和步骤也会有所不同。

3．1 收集背景资料和侦查失效现场

失效现场必须注意保护，等待有关人员进行侦查。失效现场的一切证据应该维持原状，完整无缺和真实不伪，这是保证失效分析顺利进行的先决条件。对于公路和铁路事件，由于要保持交通顺畅需要采取一定措施，但是保护失效现场的原则仍需执行。

侦查失效现场采用目视检查、照相、录像、测量、绘图和文字描述等方法。初步检查失效零部件的外观特征，注意其附近的碎片、残留物和可疑痕迹。

收集背景资料是指机械设备的服役历史，不正常工况，设计资料，制造工艺记录和检验记录等。也要收集该类设备的相关标准。

在现场侦查的基础上，挑选和收集供进一步检查和试验用的实物和试样。

3．2失效零部件的初步检查

初步检查是现场侦查的继续和深化，目标是确定肇事零件和初步判断失效类型。并且据此确定下一步的试验项目和整个活动的计划。

当整台机械设备遭到破坏时，可能有多个零件严重变形、断裂和磨损。其中的多数零件属于被动破坏件，必须找到哪一个或几个零件是肇事件。肇事件一般是首先损坏件。

初步检查依循两条途径：一方面根据机械设备工作原理进行推理分析；另一方面对失效零部件进行细致的目初检查，筛选和缩小对肇事件的怀疑范围。

3．3实验室试验工作

在初步检查的基础上，根据失效案例的重要性和复杂程度，确定实验室试验项目。试验用的试件和样品主要取自失效零件、碎片和其它残留物。可供选取的试验项目如下：1）无损探伤，用于检查零件表面和内部的裂纹和缺陷。常用的无损探伤方法有：X光法、磁粉法、荧光法和超声波法等，它们有各自的适用范围。

2）力学性能试验，包括拉伸试验，室温和低温冲击试验、疲劳试验、断裂韧性试验等。

3）化学分析，用于检验零件材料和环境介质化学成分。

4）金相试验，用于检验零件材料的显微组织和缺陷。

5）断口试验，包括宏观断口观察和电子显微镜断口观察两个方面。

6）腐蚀零件和磨损零件扫描电子显微镜表面观察。

7）核算失效零部件的载荷和应力，进行实验应力分析，测定宏观残余应力。3．4确定失效原因和失效类型

这是失效分析的核心环节和基本目的。首先确定失效类型，对于查找失效原因有指导作用。如果确定某个零件属于疲劳断裂，并且找到了裂纹起源位置，那么就有利于查找具体的失效原因：零件该部位的细节设计有否不当；有无制造工艺缺陷和材质缺陷；零部件和系统有无振动等。

无论确定失效类型还是确定失效原因，都要有试验和检查所获得的数据、资料和照片作为证据。重大案例的失效原因常非单一因素造成，而是多种因素综合作用的结果，但是应该力争分清主次。也存在一些疑难案例，查不清确切的失效原因，例如严重损毁的机组中找不到肇事零件；或者目前的检测技术和认识水平尚达不到预定目标。

3．5完成失效分析报告

报告中列出和分析全部重要证据，作出规范化的结论，相应地指出预防同类零件失效的预防措施和对失效零件的补救措施。

4、失效分析的试验方法

4．1裂纹观察

在已经发现裂纹的情况下，应对裂纹进行宏观观察和金相观察。宏观观察的目标是查明首先形成的裂纹，裂纹走向和裂源位置。金相观察的目标是查明裂纹属于穿晶裂纹或沿晶裂纹、以及裂纹与其它显微组织的关系。

当失效零件上存在许多裂纹或裂成多块碎片时，重要的任务是查明哪条裂纹是首先形成的，并确定裂纹走向和裂源位置。判断时依据T形法和分叉法两条原则。对于呈T形分布的两条裂纹，必定是T形顶部的那条裂纹先形成，应当优先追踪，即向裂纹两头追查是

否有更先形成的裂纹，直至追踪到裂源位置。对于分枝裂纹，必定是主干裂纹先形成，然后形成分枝。沿着主干裂纹无分枝方向查找裂纹的起源点。存在较严重腐蚀和氧化迹象的裂纹，被优先怀疑为先形成的裂纹。将这种裂纹打开和获得断口，依据断口上腐蚀色泽深浅，更有助于判断该裂纹是否首先形成。

裂纹金相观察需要先制备金相试样。一般取细小裂纹或裂纹尖端部位，垂直于裂纹面切取试样，抛光，浸蚀显示晶界或显微组织。在光学显微镜下观察裂纹途径与晶粒的关系，沿晶界途径者为没晶裂纹；穿越晶粒内部者为穿晶裂纹；或者穿晶和沿晶混合裂纹。普通的疲劳断裂和塑性断裂均以穿晶裂纹为主。当观察到较多的沿晶裂纹时，一般都存在某种特殊因素，例如环境、高温或材料脆化等因素。

裂纹金相观察时，也要注意微观裂纹途径与夹杂物或显微组织间的关系。

4．2宏观断口观察

断裂形成的表面称为断口，如果零件上的裂纹尚未造成整体断开，则可以人为的打开裂纹，获得断口。

断口上真实的记录着断裂失效过程的历史和各种信息，包括裂纹的起始点、扩展过程、内外因素等影响。断口观察分析就是设法解读出这些信息。断口观察和分析是机械零部件断裂失效分析的核心和向导，指引着少走弯路和直达预定目标。

断口观察分为宏观观察和微观观察两类。宏观观察是基础；微观观察是进一步深入研究。

宏观断口观察由目视或低倍实体显微镜进行，后者的放大倍数由数倍到数十倍，可用于观察凹凸不平的断口表面。扫描电子显微镜虽然是微观观察的设备，但是也可以在20倍左右观察和照相。目视和低倍观察比较直观，有利于了解整个断口的全面情况。

宏观断口上有五项要素可供观察：粗糙度、线纹、色泽、倾斜度（断口面与最大主应力间的夹角）、材料缺陷。进行宏观断口观察力争达到下列目标：1、判断哪些是首先断裂件；

2、初步判定断裂类型、断源位置和裂纹走向；

3、判断材料的韧性高低和冶金品质；

4、估计零件所受的载荷种类和应力高低；

5、提供关于失效原因的线索。

（1）断口粗糙度

断口粗糙度反应断裂过程中反应材料塑性变形的程度。在正断口（断口面垂直于最大主应力方向）上，有三种典型的粗糙度形貌：1、“纤维状”断口；2、“颗粒状”断口；3、粗糙度较低的平坦断口。“纤维状”断口呈现较高粗糙度，塑性断裂形成这种断口。“颗粒状”断口属于脆性断口，“颗粒”面较平坦，部分面有反光面性，低温快速断裂和回火脆性断裂形成这类断口。粗糙度较低的断口比较平坦，反应断裂过程中塑性变形较小，某些脆性断裂和疲劳断裂形成这类断口。低周疲劳的应力水平较高，其断口粗糙度也较高，接近于“纤维状”断口的情况。斜断口（近似平行于最大切应力方向）的粗糙度较低，这是剪切断裂形成的，但是属于塑性断裂。

（2）断口上的线纹

断口上的线纹是裂纹扩展过程中形成的，分为两类：1、垂直于裂纹扩展方向的线纹，主要指疲劳弧线；2、代表裂纹扩展方向的线纹，即放射纹和人字纹。

疲劳弧线又称海滩花样，是疲劳断裂的一种宏观断口特征。由零件载荷谱变化而形成。每条弧线代表某时刻裂纹前沿线的位置，并且垂直于裂纹扩展方向。在疲劳裂纹扩展试验中发现，施加一次较大过载会造成裂纹扩展受阻滞，并在宏观断口上留下一条线纹。

放射纹是从裂源附近放射出的一组线纹，也称放射花样，它是由于相邻区裂纹面处在不同水平上面形成的撕裂带。裂纹扩展越快，放射线纹越清晰明显。脆性断口上常有明显的放射纹；疲劳断口和塑性断口也可能有较短的放射纹。

当零件厚度较小或裂纹高速扩展时，宏观断口上常呈现人字纹花样，大量人字形线纹

有规律地排列成行。钢板零件冷脆断裂和压力容器爆炸时常形成这类线纹。实际上人字纹是放射纹的变种，两者形成原因相同。顺着人字形头部方向可以追溯裂纹源位置，逆向为裂纹扩展的宏观方向。

（3）断口色泽

塑性断口较粗糙而色泽较暗，常呈暗灰色；脆性断口常呈浅灰色。

断口的特殊色彩由高温氧化形成，据此可以初步判定零件断裂时的温度。

如果局部断口的腐蚀色远深于其它部位，说明它是陈旧裂纹，形成在先，或者形成于制造过程中，有可能是失效原因之一。

（4）断口面的倾斜度

断口面倾斜度分为两类：正断口与零件的最大主应力方向相垂直；斜断口以称剪切唇口，呈近似45°倾角，平行于最大切应力方向。斜断口属于剪切断裂；正断口是拉应力导致的断口。

脆性断口基本上为正断口，其剪切唇口很小。塑性断口常有正断口和剪切唇口两部分，剪切唇口位于零件边缘，是零件最后断裂部位，可以反向推断断裂起始位置。剪切唇口区侧边常有缩颈现象。

断口上剪切唇口区的宽度代表材料的断裂韧性的高低，中低强度钢常形成较宽的剪切唇口，超高强度钢形成较窄的剪切唇口。

另一种塑性断口是单一的剪切断口，无正断口。

在失效分析的初步检查阶段，要判断首先断裂件。如果发现有脆性特征的断口，该零件应该作为优先怀疑对象；其它属于塑性断口的零件，常常是被动破坏件。如果发现有疲劳特征的断口，更应作为优先怀疑对象，进一步仔细检查。