BGA失效分析报告

金属--断裂与失效分析报告刘尚慈

金属断裂与失效分析（尚慈编）第一章概述失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序一、现场调查二、残骸分析三、实验研究（一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析（二）无损检测（三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析（四）断口分析（五）断裂力学分析以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC / Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界开位移） J积分判据：对一定材料在大围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。开型裂纹不断裂的判据为：

J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值（六）模拟试验四、综合分析分析报告的涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路一、强度分析思路二、断裂失效的统计分析三、断裂失效分析的故障树技术第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。一、按宏观形态分为：（1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如： ①铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，

HT200试棒脆性断裂失效分析

HT200试棒脆性断裂失效分析过程装备与控制工程２０１３－２刘凯（２２）李阔（１６）摘要：在机电装备的各类失效分析中以断裂失效最主要，危害最大，往往造成严重的后果及巨大的经济损失。试棒脆性断裂失效分析从断口的宏观外观、微观组织、受力状态等方面综合分析，解释断裂失效的原因。关键字：ＨＴ２００试棒脆性断裂失效分析断裂是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连的两个或两个以上部分的现象，是金属构件常见的失效形式之一，特别是脆性断裂，它是危害性甚大的失效形式。脆性断裂前构件的变形量很小，没有明显可以觉察出来的宏观变形量。断裂过程中材料吸收的能量很小，一般是在低于允许应力条件下的低能断裂。通过对ＨＴ２００拉力试棒断裂失效分析包括力学性能、化学成分、金相组织、其他相关性能；断口分析、表面分析，包括金相组织、电镜分析各种分析；失效现象及原因分析等综合学习掌握关于脆性断裂的相关知识一、试样收集与观察ＨＨＴ２００拉力试棒图示拉力试棒为液压万能试验机拉断后的试棒，其原始尺寸如下图。ＨＴ２００拉力试棒尺寸图试棒装在液压万能试验机后，开动试验机缓慢加载。在拉伸过程中，没有肉眼可见的颈缩、屈服现象，，随着“砰”一声，试棒被拉断。拉断前的应变很小，伸长率也很小，十分典型的脆性断裂过程。二、化学成分脆性断裂实验所用拉力试棒为ＨＴ２００材料，具体含义为灰口铸铁抗拉强度为２００ＭＰａ，硬度范围为１６３～２５５ＨＢ，抗拉强度和塑性低，但铸造性能和减震性能好，主要用来铸造汽车发动机汽缸、汽缸套、车床床身等承受压力及振动部件。其具体化学成分如下表。

试验过程中观察不到拉力试棒明显的应变过程及颈缩现象，在较小的拉应力作用下就被拉断了，没有屈服和颈缩现象，拉断前的应变很小，伸长率也很小。其拉伸时的应力－应变关系是一段微弯的曲线，没有明显的直线部分，也没有明显的屈服阶段。铸铁在拉断时的最大应力即为其强度极限。因为没有屈服现象，强度极限σ ｂ是衡量强度的唯一指标。σ ｂ＝ＦｂＡｏ。灰口铸铁σ－ε图四、断裂试棒断口宏观形貌及其微观金相组织观察脆性断裂是从金属构件内部原本存在的微小裂纹为裂纹源而开始的。因此，脆性断裂往往是突然发生的，断裂前基本没有肉眼可见的变形量。脆性断裂一般沿低指数晶面穿晶解理，解理是金属在正应力作用下沿解理面发生的一种低能断裂。由于解理是通过破坏原子间的键合来实现的，而密排面之间的原子间隙最大，键合力最弱，故绝大多数解理面是原子密排面。但也有一些脆性材料断裂是沿晶断裂，如晶界上有脆性物或有晶间腐蚀是，就有可能产生沿晶断裂。该拉力试棒为沿解理面断裂，故其断口的宏观形貌具有两个明显特征。一、其断口表面是明亮结晶状的，表面存在小刻面。一个多晶体金属材料的解理断口，由于其每个晶体的取向不同，所以其解理面与断裂面所取的位向也就不同，若把断口放在手中旋转时，将闪闪发亮，像存在许多分镜面。二、存在“山形”条纹。脆性材料在断裂时会从断裂源点形成“山形”裂纹。随着裂纹的发展，条纹会变粗，因此，根据断口“山形”裂纹的图形可以判断脆性断裂的裂纹扩展方向和寻找断裂起源点。综上并观察试棒断口分析可知ＨＴ２００拉力试棒为典型的脆性断裂。脆性解理断裂的电子显微断口形态的一个特征是呈现河流花样。由于金属是多晶体，取向又是无序的，解理在某一晶粒内进行时以及穿过一个晶粒向相邻晶粒传播时，均会造成解理裂缝在不同的结晶面上断开，这些解理裂缝相交处即会形成台阶。在电子显微镜中这些解理台阶呈现出形似地球上的河流状形貌，故名河流状花样。沿着解理断裂的方向河流可以合并为“主流”。解理穿越晶界时，不仅河流花样的“流向”要发生变化，而且有可能加粗或部分消失由于实际晶体内部存在许多缺陷（位错、析出物、夹杂物等），所以在一个晶粒内的解理并不

断裂分析报告

M10-45H 内六角紧定螺钉断裂分析据客户反映，由本公司供应的M10-45H 紧定螺钉，安装过程中发生故障。现状：M10-45H 内六角紧定螺钉，在密封锁紧螺母安装过程中发生断裂；安装过程：在部件上指定部位使用43~48N.m 扭矩旋入紧定螺钉（作为限位螺钉使用），然后，在紧定螺钉露出端使用43~48N.m 的终拧扭矩旋入密封锁紧螺母并拧紧，防止螺钉与基体之间的间隙造成介质渗漏。一，失效件检测分析： 1，断口形貌宏观观察：断面基本与轴线垂直，颜色灰色，颗粒细小均匀；放大10倍进行观测，未见目测可见原始裂纹。 2，机械性能检测： 3，金相检测分析：沿轴线使用线切割方式制样，检测了纵向剖面的金相组织。如下图图1和图2。图1 芯部金相x500 芯部金相组织：回火马氏体+回火屈氏体图2 螺纹金相x200 螺纹部位金相：无脱碳层或渗碳层 4，化学成分分析：合金钢SCM435: 0.35%C, 0.21%Si, 0.70%Mn, 0.013%P, 0.007%S, 1.04%Cr, 0.185%Mo 符合GB3098.3对45H 级螺钉的材质要求。失效件检测分析表明，该产品机械性能和使用材料完全符合GB3098.3标准要求二，断裂原因分析：对失效件的机械性能检测、金相组织检测、化学成分检测结果表明，产品完全符合标准规范。对照标准GB/T 3098.3-2000，在标准条文内第一章，标准范围，对该产品的描述，第一段有明确：本标准规定了由碳钢或合金钢制造的、在环境温度为10-35℃条件下进行试验时，螺纹公称直径为1.6- 24m m 的紧定螺钉及类似的不受拉应力的紧固件机械性能。如下截图：

失效分析

失效分析第三章失效分析的基本方法 1.按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法：（1）审查设计（2）材料分析（3）加工制造缺陷分析（4）使用及维护情况分析 2.系统工程的分析思路方法：（1）失效系统工程分析法的类型（2）故障树分析法（3）模糊故障树分析及应用 3.失效分析的程序：调查失效时间的现场；收集背景材料，深入研究分析，综合归纳所有信息并提出初步结论；重现性试验或证明试验，确定失效原因并提出建议措施；最后写出分析报告等内容。 4.失效分析的步骤：（1）现场调查①保护现场②查明事故发生的时间、地点及失效过程③收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口④选取进一步分析的试样，并注明位置及取样方法⑤询问目击者及相关有关人员，了解有关情况⑥写出现场调查报告（2）收集背景材料①设备的自然情况，包括设备名称，出厂及使用日期，设计参数及功能要求等②设备的运行记录，要特别注意载荷及其波动，温度变化，腐蚀介质等③设备的维修历史情况④设备的失效历史情况⑤设计图样及说明书、装配程序说明书、使用维护说明书等⑥材料选择及其依据⑦设备主要零部件的生产流程⑧设备服役前的经历，包括装配、包装、运输、储存、安装和调试等阶段⑨质量检验报告及有关的规范和标准。（3）技术参量复验①材料的化学成分②材料的金相组织和硬度及其分布③常规力学性能④主要零部件的几何参量及装配间隙（4）深入分析研究（5）综合分析归纳，推理判断提出初步结论（6）重现性试验或证明试验 5.断口的处理：①在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干燥器内或真空室内保存，以防止锈蚀，并应注意防止手指污染断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零件尤其是断口，应采取有效的保护，防止零件或断口的二次污染或锈蚀，尽可能地将断裂件移到安全的地方，必要时可采取油脂封涂的办法保护断口。②对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。③在潮湿大气中锈蚀的断口，可先用稀盐酸水溶液去除锈蚀氧化物，然后用清水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干。④在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往是非常重要的，因而不能轻易地将其去掉。 6.断口分析的具体任务：①确定断裂的宏观性质，是延性断裂还是脆性断裂或疲劳断裂等。② 确定断口的宏观形貌，是纤维状断口还是结晶状断口，有无放射线花样及有无剪切唇等。③查找裂纹源区的位置及数量，裂纹源的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源是单个还是多个，在存在多个裂纹源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等。④确定断口的形成过程，裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如何等。⑤确定断裂的微观机理，是解理型、准解理型还是微孔型，是沿晶型还是穿晶型等。⑥确定断口表面产物的性质，断口上有无腐蚀产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。 7.断口的宏观分析（1）最初断裂件的宏观判断①整机残骸的失效分析；②多个同类零件损坏的失效分析；③同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析。（2）主断面（主裂纹）的宏观判断①利用碎片拼凑法确定主断面；②按照“T”形汇合法确定主断面或主裂纹；③按照裂纹

焊点可靠性研究详解

SMT焊点可靠性研究前言近几年﹐随着支配电子产品飞速发展的高新型微电子组装技术--表面组装技术(SMT)的飞速发展﹐SMT焊点可靠性问题成为普遍关注的焦点问题。与通孔组装技术THT(Through Hole Technology)相比﹐SMT在焊点结构特征上存在着很大的差异。THT焊点因为镀通孔内引线和导体铅焊后﹐填缝铅料为焊点提供了主要的机械强度和可靠性﹐镀通孔外缘的铅焊圆角形态不是影响焊点可靠性的主要因素﹐一般只需具有润湿良好的特征就可以被接受。但在表面组装技术中﹐铅料的填缝尺寸相对较小﹐铅料的圆角(或称边堡)部分在焊点的电气和机械连接中起主要作用﹐焊点的可靠性与THT焊点相比要低得多﹐铅料圆角的凹凸形态将对焊点的可靠性产生重要影响。另外﹐表面组装技术中大尺寸组件(如陶瓷芯片载体)与印制线路板的热膨胀系数相差较大﹐当温度升高时﹐这种热膨胀差必须全部由焊点来吸收。如果温度超过铅料的使用温度范围﹐则在焊点处会产生很大的应力最终导致产品失效。对于小尺寸组件﹐虽然因材料的CTE 失配而引起的焊点应力水平较低﹐但由于SnPb铅料在热循环条件下的粘性行为(蠕变和应力松弛)存在着蠕变损伤失效。因此﹐焊点可靠性问题尤其是焊点的热循环失效问题是表面组装技术中丞待解决的重大课题。 80年代以来﹐随着电子产品集成水平的提高,各种形式﹑各种尺寸的电子封装器件不断推出﹐使得电子封装产品在设计﹑生产过程中,面临如何合理地选择焊盘图形﹑焊点铅料量以及如何保证焊点质量等问题。同时﹐迅速变化的市场需求要求封装工艺的设计者们能快速对新产品的性能做出判断﹑对工艺参数的设置做出决策。目前﹐在表面组装组件的封装和引线设计﹑焊盘图形设计﹑焊点铅料量的选择﹑焊点形态评定等方面尚未能形成合理统一的标准或规则﹐对工艺参数的选择﹑焊点性能的评价局限于通过大量的实验估测。因此﹐迫切需要寻找一条方便有效的分析焊点可靠性的途径﹐有效地提高表面组装技术的设计﹑工艺水平。研究表明﹐改善焊点形态是提高SMT焊点可靠性的重要途径。90年代以来﹐关于焊点形成及焊点可靠性分析理论有大量文献报导。然而﹐这些研究工作都是专业学者们针对焊点

失效分析习题

填空： 1.常见的断裂分类有： 1）根据断裂时变形量的大小，将断裂失效分为两大类，即脆性断裂和延性断裂。 2）按裂纹走向与金相组织的关系，将断裂失效分为穿晶断裂和沿晶断裂。 3）按断裂机制与形貌将断裂失效分为：1）按断裂机制进行分类，分为微孔型断裂、解理型（准解理型）断裂、沿晶断裂及疲劳型断裂等。2）按断口的宏观形貌分类，分为纤维状、结晶状、细瓷状、贝壳状及木纹状，人字形、杯锥状等。3）按断口的微观形貌分类，分为微孔状、冰糖状、河流花样、台阶、舌状、扇形花样、蛇形花样、龟板状、泥瓦状及辉纹等。4）按加工工艺或产品类别对断裂进行分类：1）按加工下艺分类，有铸件断裂、锻件断裂、磨削裂纹、焊接裂纹及淬火裂纹等。2）按产品类别分类，有轴们断裂齿轮断裂、连接件断裂压力容器断裂和弹簧断裂等。 2.失效分析可分为：事前分析、事中分析和事后分析。 3.腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。 4.解理断裂的微观形貌特征主要是：河流花样及解理台阶，除此之外尚有舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样等以及珠光体解理。 5.典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。二、判断 1.缩孔：由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。 2.点腐蚀：只有在特定的介质中才能发生点腐蚀。当介质中的氯离子和氧化剂（如溶解氧）同时存在时，容易发生点腐蚀、大部分设备发生的点腐蚀失效都是氯化物和氯离子引起的。 3.晶间腐蚀：某种材料是否发生晶间腐蚀取决于材料／介质体系的特征。在这种体系中，材料的晶界区域比晶粒本体的溶解速度大，所发生的腐蚀即为晶间腐蚀。只有那些能使不锈钢的晶界呈现活化状态，而晶粒呈现钝化状态的介质环境，才会发生晶间腐蚀。金属发生晶间腐蚀后，在宏观上几乎看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著降低。 4.在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩展。 5.微孔型断裂的宏观表现：宏观塑性的微孔断裂（提高材料的塑变抗力防止）、宏观脆性的微孔断裂（提高材料的断裂韧度）。 6.冷脆金属低温脆断断口的宏观特征：结晶状，并有明显的镜面反光现象。冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征：河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。 7.准解理断裂：从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。为了防止此类断裂，最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力，即降低钢材的脆性转折温度。三、名词解释

实验一脆性断裂和韧性断裂断口失效分析

实验一脆性断裂和韧性断裂断口失效分析一、实验目的了解模具脆性断裂和韧性断裂断口失效分析步骤以及模具脆性断裂和韧性断裂断口的宏观和微观特征。二、实验内容及步骤 1、模具脆性断裂和韧性断裂宏观断口的观察（1）操作前的准备工作 a.选定失效模具的待分析部位； b.选定并切割试样、清洗并擦拭干净。（2）操作步骤 a.用放大镜或低倍显微镜观察脆性断裂和韧性断裂断口； b.记录上述所观察到的脆性断裂和韧性断裂宏观断口形貌。 2、模具脆性断裂和韧性断裂微观断口的观察（1）操作前的准备工作 a.选定失效模具的待分析部位； b.选定并切割试样、将试样严格清洗干净；（2）操作步骤 a.将试样放入扫描电子显微镜工作室并将扫描电子显微镜调整到工作状态； b.用扫描电子显微镜观察脆性断裂和韧性断裂断口 c.记录上述所观察到的脆性断裂和韧性断裂微观断口形貌。三、实验设备器材 1、放大镜、低倍显微镜、扫描电子显微镜、试样切割机、无水酒精、丙酮 2、脆断失效模具和韧性断裂失效模具各一副。四、实验注意事项 1、实验前，试样表面要严格请洗； 2、使用显微镜时要细心操作，以免损坏机件。 3、遇故障及时报告指导教师。

实验二模具表面磨损失效分析一、实验目的了解模具磨损失效分析步骤以及模具磨损表面的宏观和微观特征。二、实验内容及步骤 1、模具磨损表面宏观形貌的观察 i.操作前的准备工作 1.选定失效模具的待分析部位； 2.清洗并擦拭干净。 ii.操作步骤 1.用放大镜或低倍显微镜观察模具磨损表面形貌； 2.记录上述所观察到的磨损表面形貌。 2、模具磨损表面微观形貌的观察 i.操作前的准备工作 1.选定失效模具的待分析部位； 2.将试样严格清洗干净； ii.操作步骤 1.将试样放入扫描电子显微镜工作室并将扫描电子显微镜调整到工作状态； 2.用扫描电子显微镜观察模具（或40Cr）磨损表面微观形貌; 3.记录上述所观察到的模具（或40Cr）磨损表面微观形貌。 3、磨损失效机理分析 ⅰ根据模具表面磨损失效的宏观断口分析结果，初步判定模具磨损失效的类型和失效机理。 ⅱ根据模具表面磨损失效的微观断口分析结果，准确判定模具磨损失效的类型和失效机理。三、实验设备器材 1、放大镜、低倍显微镜、扫描电子显微镜、高纯氩气、无水酒精、丙酮 2、磨损失效模具一副或40Cr经表面强化试样。四、实验注意事项 1、实验前，试样表面要严格请洗； 2、使用显微镜时要细心操作，以免损坏机件。 3、遇故障及时报告指导教师。

SMT焊点疲劳失效机理分析

SMT焊点疲劳失效机理分析随着电子产品组装密度越来越高，承担机械与电气连接功能的焊点尺寸越来越小，而任意一个焊点的失效就有可能造成器件甚至系统的整体失效。因此焊点的可靠性是电子产品可靠性的关键之一。在实际中，焊点的失效通常由各种复杂因素相互作用引发，不同的使用环境有不同的失效机理，广州贴片厂多年经验得知，焊点的主要失效机理包括热致失效、机械失效和电化学失效等。热致失效主要是由热循环和热冲击引起的疲劳失效，高温导致的失效同样包括在内。由于表面贴装元件、PCB和焊料之间的热膨胀系数不匹配，当环境温度发生变化时或元件本身功率发热时，由于元器件与基板的热膨胀系数不一致，焊点那就会产生热应力，应力的周期性变化导致焊点的热疲劳失效。热疲劳失效的主要变形机理是蠕变，当温度超过炉点温度的一半时，蠕变就成为重要的变形机理，对于锡铅焊点而言，即使在室温时已超过熔点温度的一半，因此在热循环过程中蠕变成为主要的热变形疲劳失效机理。相对于热循环而言，热冲击造成的失效是由不同温升速率和冷却速率给组件带来的较大附加应力而产生的。在热循环时，可以认为组件各部分的温度完全一致；而在热冲击条件下由于比热、质量、结构和加热方式等各种因素的影响，组件各部分温度不相同从而产生附加的热应力。热冲击会导致许多可靠性问题，如过载中的汗点疲劳、敷行涂覆处的裂纹导致腐蚀失效和组件故障。热冲击还有可能导致在缓慢的热循环过程中没有出现的失效形式。机械失效主要是指由机械冲击引起的过载与冲击时效以及由机械振动引起的机械疲劳失效。当印制电路组件受到弯曲，晃动或其他的应力作用时，将可能导致焊点失效。当印制电路组件受到弯曲晃动或其他的应力作用时，将可能导致焊点失效。一般而言，越来越小的焊点是组件中最薄弱的环节。然而当它连接柔性结构如有引脚的元件到PCB上时，由于引脚可以吸收一部分应力，故焊点不会承受很大的应力。但是，当组装无引脚元件时特别是对于大面积的BGA器件，当组件受到机械冲击使，如跌落和PCB在后续的装备和测试工序中受到了较大的冲击和弯曲，而元件本身的刚性又比较强势，焊点就会承受较大的应力。特别对于无铅焊接的便携式电子产品，由于他的小体积、重量轻和易于滑落等特点是其在使用过程中更容易发生碰撞和跌落，而无铅焊料相比传统的铅锡焊料较高的弹性模量和其它不同的物理、力学特征使得无铅焊点抗机械冲击能力下降。因此对于无铅化后的便携式电子产品，及跌落冲击可靠性应该受到重视，当焊接部位受到由振动产生的机械应力反复作用时会导致焊点疲劳失效。即使这种应力远低于屈服应力水平时，也可能引起金属材料疲劳，经过大量小幅值、高频率振动循环之后，振动疲劳失效就会发生。尽管每次振动循环对焊点的破坏很小，

《材料失效分析》实验教案2014上.

课程教案课程名称：材料失效分析实验任课教师：刘先兰所属院（部）：机械工程学院教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期湖南工学院

《材料失效分析》实验实验课程编码：学时：6 适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等考核方式：一、实验课程的性质与任务帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。二、实验项目实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）实验二零件失效的宏观分析法（2学时）实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）三、实验报告要求每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。四、其它要求实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。五、教材和参考资料 1教材：《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社. 2．参考资料： [1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社.. [2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社. [3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社. [4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社. [5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.

失效分析知识点

失效分析知识点第一章概论 1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。 2.失效三种情况：（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。 3.失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。 4.失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。 5.失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。第二章失效分析基础知识一.机械零件失效形式与来源： 1.按照失效的外部形态分类：（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。（4）.注：断裂的其他分类断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂； 2.失效的来源：

金属断裂与失效分析刘尚慈

金属断裂与失效分析（刘尚慈编）第一章概述失效：机械装备或机械零件丧失其规定功能的现象。失效类型：表面损伤、断裂、变形、材质变化失效等。第二章金属断裂失效分析的基本思路 §2—1 断裂失效分析的基本程序一、现场调查二、残骸分析三、实验研究（一）零件结构、制作工艺及受力状况的分析（二）无损检测（三）材质分析，包括成分、性能和微观组织结构分析（四）断口分析（五）断裂力学分析以线弹性理学为基础，分析裂纹前沿附近的受力状态，以应力强度因子K作为应力场的主要参量。 K I＝Yσ（πα）1/2 脆性断裂时，裂纹不发生失稳扩展的条件：K I＜K IC 对一定尺寸裂纹，其失稳的“临界应力”为：σc＝K IC / Y（πα）1/2 应力不变，裂纹失稳的“临界裂纹尺寸”为：αc＝（K IC / Yσ）2/π 中低强度材料，当断裂前发生大范围屈服时，按弹塑性断裂力学提出的裂纹顶端张开位移[COD（δ）]作为材料的断裂韧性参量，当工作应力小于屈服极限时： δ＝（8σsα/πE）ln sec(πσ/2σs) 不发生断裂的条件为：δ＜δC（临界张开位移） J积分判据：对一定材料在大范围屈服的情况下，裂纹尖端应力应变场强度由形变功差率J来描述。张开型裂纹不断裂的判据为：

J＜J IC K IC——断裂韧性；K ISCC——应力腐蚀门槛值（六）模拟试验四、综合分析分析报告的内涵：①失效零部件的描述；②失效零部件的服役条件；③失效前的使用记录；④零部件的制造及处理工艺；⑤零件的力学分析；⑥材料质量的评价；⑦失效的主要原因及其影响因素；⑧预防措施及改进建议等。五、回访与促进建议的贯彻 §2—2 实效分析的基本思路一、强度分析思路二、断裂失效的统计分析三、断裂失效分析的故障树技术第三章金属的裂纹 §3—1 裂纹的形态与分类裂纹：两侧凹凸不平，偶合自然。裂纹经变形后，局部磨钝是偶合特征不明显；在氧化或腐蚀环境下，裂缝的两侧耦合特征也可能降低。发纹：钢中的夹杂物或带状偏析等在锻压或轧制过程中，沿锻轧方向延伸所形成的细小纹缕。发纹的两侧没有耦合特征，两侧及尾端常有较多夹杂物。裂纹一般是以钢中的缺陷（发纹、划痕、折叠等）为源发展起来的。一、按宏观形态分为：（1）网状裂纹（龟裂纹），属于表面裂纹。产生的原因，主要是材料表面的化学成分、金相组织、力学性能、应力状态等与中心不一致；或者在加工过程中发生过热与过烧，晶界性能降低等，导致裂纹沿晶界扩展。如： ①铸件表面裂纹：在1250～1450℃形成的裂纹，沿晶界延伸，周围有严重的氧化和脱碳。

失效分析案例-BGA器件焊点开裂

BGA器件焊点开裂一、样品描述在测试过程中发现板上BGA器件存在焊接失效，用热风拆除BGA器件后，发现对应PCB 焊盘存在不润湿现象，见图1。二、染色试验焊点开裂主要发生在四个边角上，且开裂位置均为BGA器件焊球与PCB焊盘间，见表1。金相及SEM分析见图2～图5。

四、综合分析对所送PCBA器件焊点进行分析，均发现已失效器件和还未失效器件焊点在IMC与Ni 层的富磷层（P-Rich）间存在开裂，且镍层存在腐蚀；在焊接过程中，Sn与Ni反应生成Sn/Ni 化合物，而镍层中的磷不参与合金反应，因此多余的磷原子则会留在镍层和合金层界面，过多的P在镍和IMC界面富集将形成黑色的富磷（P-Rich）层，同时，存在的镍层腐蚀会影响焊料与镍层的结合，富磷层和镍层腐蚀的存在会降低焊点与焊盘之间的结合强度；当焊点在组装过程中受到应力时，会在焊点强度最弱处发生开裂，BGA封装角部焊点由于远离中心点，承受的应力更大，故开裂一般会先发生在角部。由于未发现板子严重翘起、器件机械损伤等异常应力作用的特征，因此导致焊点开裂的应力可能来自于回流焊接或者波峰焊接过程等环境中所受到的正常应力。同时，同批次及相邻批次PCB样品（生产日期0725和0727）Au/Ni焊盘SEM&EDS 的分析结果也表明，PCB焊盘Ni层也存在一定腐蚀。由以上分析可得，由于较厚富磷层（P-Rich）及镍层腐蚀的存在，将降低焊点与焊盘之间的结合强度，使得该处成为焊点强度最薄弱的地方，在受到正常应力情况下，发生开裂失效。五、分析结论（1）BGA器件焊接失效表现为焊点存在100%开裂，开裂位置发生在IMC与PCB焊盘Ni层的富磷层（P-Rich）间。（2）导致BGA焊点开裂的原因是，焊点中PCB面焊盘镍层存在腐蚀以及镍层表面富磷层的存在降低了焊点与焊盘的机械结合强度，当受到正常应力作用时发生开裂失效。

失效分析报告

南京XXXX 大学失效分析报告姓名： XXXX学号：XXXXXXXX 学院：X 专业：X 题目：X 2015年11月南京

一、背景有5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根是失效的（1根已断裂1根已近断裂），另3根外表完好；5根螺栓材料、规格、处理方式是相同的，材料是SCM432、表面经过磷化处理、强度等级为10.9；且称失效件之工作寿命在400小时以内，是作为发动机零件且同发动机一起进行台架试验的时候断裂的，螺栓安装方法为：扭距40N.M,再拧三个90°即270°，工作温度为100℃以内，受力方式为链接两个零件间的分离力；其它诸如热处理工艺、表面处理工艺、螺栓成形加工方式、具体工作状况、具体规格等均不明；且断裂件螺栓断口已有较严重的污染、与之相匹配的另一断口未收到（因为另一半断口可能存在更多信息于失效分析亦非常重要），对失效分析有一定的负面影响,要求分析螺栓的断裂原因。图1来样宏观形貌（其中黄色标识为失效零件)

二、样品信息样品名称螺栓样品型号不明样品数量 5 材料 SCM432 处理方式不明三、样品化学成分元素 C Si Mn P S Cr Mo Ni Cu Wt% 0.31 0.070 0.94 0.014 0.005 0.21 0.086 0.029 0.079 四、硬度测试根据GB/T 4340.1-2009、GB/T 230.1-2009、ASTME140-05对样品进行硬度测试，设备为HVS-1000和HDI-1875，测得结果如下：根据GB/T3098.1-2000得标准为320~380HV 、32~39HRC ，所以试样硬度正常。五、宏观断口分析 5根要求分析的螺栓如图1,其中有2根黄色标识是失效的（1根已断裂1根已近断裂），两根失效零件的失效部位类似均离顶端相同距离，应属螺栓受力部位之第一根螺齿根部；图2显示“已近断裂”之零件之失效部位形貌，有明显裂纹；图3显示断裂之断口形貌有较严重的污染现象；清洗后断口形貌如图4,从断口来看，属低周高应力弯曲疲劳；有两个分别呈半圆形A 及月牙形B 且较为平坦的断口部分，隐约可见贝壳花样，面积约占整个断口 50%, 断口中间部位C 较为粗糙亦约占50%; A 及B 区属疲劳断的断裂源区及扩展区，断裂源于螺栓的螺纹齿根部（图4黄色箭头所指），A 区与B 区断口部分在整个断口部位呈对称现象；C 区属瞬断区，可见服役受力较大；C 区及齿根部形貌如图5、6,瞬断区基本呈45度角，齿根部并未发现明显的宏观裂纹；图7及图8 分别为A 及B 区之断口形貌可见有较多的台阶状特征；A 区的断裂源区形貌如图9、扩展区如图10; C 区的微观断口形貌如图11、12可见韧窝状特征；B 区的断裂源区形貌如图13、扩展区如图14;断口侧面垂直处表面形貌可见图15、16有较测试部位 1 2 3 平均值零件表面HRC 33.4 33.7 33.6 33.6 零件心部HV1 331 337 335 334

断口失效分析实验报告

表1 所观察金属断口的宏观形貌特征

表2 所观察金属断口的微观形貌特征图1 D1断口样品宏观图像图2 D2断口样品宏观图像

图3 D3断口样品宏观图像图4 D3断口样品宏观图像（3）复制所观察的各断口各区域的微观形貌图；指出其微观特征。图5 D1断口样品纤维区特征：图5显示了D1断口中心部位纤维区即本断口的裂纹源的显微形貌：由等轴韧窝组成，大多数韧窝较小、较浅，此区域属韧性断裂。

图6 D1断口样品放射区特征：图6中左图显示了放射区放射状的韧窝台阶；右图显示了放射区的显微形貌：由大量较大的剪切韧窝与滑移平直区、撕裂棱等混合组成。此区域属韧性断裂。图7 D1断口样品剪切唇区特征：图7中左图显示了D1样品剪切唇区的显微形貌：非等轴、较浅的剪切韧窝。右图显示了大韧窝底部的显微形貌：带有涟波纹的滑移区。此区域属韧性断裂。

图8 D2断口样品结晶区特征：图8显示了D2样品中心部分结晶区的显微形貌，其显现出平直的晶粒外形，晶界面上有大量细小的韧窝或有细长的裂纹。此区域属沿晶断裂、脆性断裂。图9 D2断口样品解理区特征：图9显示了D2样品边缘部分解理区的显微形貌：由平齐的解理面以及解理台阶、河流花样等组成。此区域属穿晶断裂、脆性断裂。图10 D3断口样品裂纹源区特征：图10显示了D3样品裂纹源的形貌：最下部为V形缺口处的连波纹；左图次下部（右图中部）为裂纹源区；左图上部为裂纹扩展区。图11 D3断口样品纤维区特征：图11显示了D3样品纤维区的形貌：由小、多的撕裂韧窝组成，韧窝成行排列，每排韧窝的排列方向与裂纹扩展方向一致。此区域细小韧窝居多，属脆性断裂。

浅析焊接结构的失效分析

浅析焊接结构失效分析摘要：焊接结构的失效除了与焊接工艺有关外，还与选材和设计有重要关系。通过失效分析发现和认识在选材、设计和施工等方面的问题，减少因脆断、疲劳、应力腐蚀、磨损等失效造成的损失。提高焊接结构产品质量是促进焊接技术发展和质量控制的重要环节。关键词：焊接结构；失效分析程序；失效分析内容焊接是通过加热、加压，或两者并用，用或者不用填充材料，使焊接达到结合的一种加工工艺．焊接不仅可以用于金属材料．而且可以实现某些非金属材料的永久性连接，如玻璃焊接、陶瓷焊接、塑料焊接等．随着科学技术不断进步，焊接技术作为20世纪初科学技术，在近几十年来得到了迅速发展和传播。在工业生产中多用于金属材料的连接而焊接结构失效问题也随之摆在人们面前，引起人们的广泛关注。焊接结构的失效一是凭经验和力学性能实验不合格而报废的焊件；二是工作中发现焊缝不能继续执行其设计功能和性能的焊件。焊接结构的失效可能由断裂、磨损、腐蚀或变形引起。研究焊接失效并加以分析，目的在于找出失效的原因，制定预防此类失效发生的方案。 1失效分析程序失效分析的第一步工作是搜集和编制有关失效焊件及其制备工作的尽可能完整的历史资料，尽可能地获得历史资料对成功做出失效的正确结论起很大的作用。搜集资料的顺序没有固定的规律可循，重要的一点是在当事人对事件的记忆犹新的时候，尽可能迅速地得到有关失效情况的所有口头报告和相关物证。 I．1调查研究确定失效是在何时何地怎样发生的，包括所有有关操作者，了解焊接结构失效后是如何处理的，是否受到保护，断口是否做过处理，失效是否涉及到高温加热而导致焊缝和基体金属显微组织的变化。残骸碎片的相对位置，部件的畸变和损伤情况，绘制草图或拍照。了解工作历史，即负载、环境气氛的性质和工作时间的长短，是否遇到过事故，是否出现过其他类似的失效。搜集失效部件的背景资料，取得焊接接头的设计图纸及工作应力计算和工作寿命估计的资料。弄清规定的和实际采用的基体金属及焊条金属，如果可能的话，还要取得基体金属的实际化学成分、热处理方法和机械性能以及焊条金属的实际化学成分。弄清规定的和实际采用的表面清理方法和过程，取得规定的和实际应用的焊接工艺的细节，了解是否进行过焊后热处理。了解焊件经过何种加工和进行过何种实验，了解焊件的存放时间及存放条件；焊件是在什么时向进行装配的是装配的快慢速度。要求拿检验方法和检验报告的副本。发生失效后，尽早开始失效分析工作尤为重要。调查研究阶段要尽量从现场、设计、施工和记录中掌握失效事故的材料。 1．2分析失效模式分析失效模式阶段主要是对失效焊件利用必要的化学仪器进行拍摄、测试和观察，已确定失效模式。失效模式是导致焊件失效的物理和化学变化过程。在这一过程中，焊件的局部或整体的尺寸、形状、状态和性能发生了变化。由此导致整个焊件的失效。焊件失效是内在和外柱因素共同作用的结果。内在因素是指焊件的施工和服役条件，如应力、环境和服役时间等。环境因素足指温度和介质两大岗素，时间不是独立的诱发肉素。没有力和环境因素的

材料失效分析报告报告材料

上海应用技术学院研究生课程（论文类）试卷 2 0 15 / 2 0 16 学年第二学期课程名称：材料失效分析与寿命评估课程代码：NX0102003 学生姓名：丁艳花专业﹑学号：材料化学工程 156081101 学院：材料科学与工程学院

凝汽器铁管管壁减薄的失效分析报告 1.失效现象描述秦山第三核电公司1#700M W重水堆核能发电机组2A凝汽器。该凝汽器从2002年8月起投入使用,实际运行时间8年左右。根据资料记载,1#机组第3次例行大修时,管外壁减薄程度较轻,但在第4次例行大修时发现管外壁减薄程度加深,在2010年5月第5次例行大修时发现部分钛管外壁减薄现象相当明显。各机组凝汽器缺陷管主要分布在冷凝管塔式分布的最外侧。据专业人员介绍,大修后对缺陷管抽管检查后发现,管壁减薄主要集中在支撑板处,减薄位置和减薄程度各不相同。如果让异常减薄缺陷管继续运行,有可能引起管穿孔的泄漏事件。 2.背景描述凝汽器是大型汽轮机循环设备中的重要环节。其中的冷凝管起到将蒸汽凝结成水的作用,是凝汽器中的核心部件。冷凝管一旦发生破损将导致冷却水泄露并污染循环水,从而会对整个系统的正常运行造成严重影响。因此冷凝管的选材质量决定了凝汽器的安全可靠性与使用寿命。工业纯钛作为冷凝管最常用的材料,具有良好的力学性能与耐蚀性能。在复杂运行工况下,纯钛材料仍有可能发生磨损、腐蚀等常见的材料失效现象,引发冷凝管破损并导致冷却水泄露并污染循环水,由此对凝汽器的正常运行带来安全隐患。若不找到这一过早失效的真正起因,并采取有效的防护措施,最终必将导致钛管泄漏,不但经济损失巨大,甚至有可能引发重大安全事故。国内关于凝汽器钛管的案例的产生原因大致可分为以下几类：第一类,由于相关方面施工建造时就存在不当操作或不当设计导致运行中出现落物砸伤或凝汽器自身运行故障。如国华太仓发电超临界机组发生凝汽器钛管泄露导致冷凝水水质不合格,其原因在于上部低压加热器表面隔板未按规定安装,导致隔板掉落砸伤引起泄露。再如未充分考虑到钛管共振问题由于钛管本身管壁极薄(0.5mm到0.7mm),强烈的震动极易导致铁管破裂引起泄露,这点在宝钢电厂与大亚湾核电站的运行中已经得到了证实此外还存在着钛管板间焊接质量不良，

螺栓断裂分析报告

高强度螺栓断裂分析曾振鹏 (上海交通大学高温材料及高温测试教育部重点实验室，上海200030) 摘要:采用断口分析、金相检验和硬度测定等方法，对高强度螺栓断裂原因进行了分析。断口分析结果表明，断口平坦，呈放射状花样，微观形态主要为准解理花样，表明螺栓的断裂是脆性断裂;同时发现，在断口附近还存在横向内裂纹，内裂纹的断口形态与断裂断口一样。金相分析表明，材料棒中存在严重的中心碳偏析，而中心碳偏析是引起断裂的主要原因。关键词:高强度螺栓;准解理;横向内裂纹;中心碳偏析某厂生产的一批规格为M30×160mm的高强度大六角头螺栓，在进行验收试验时发生断裂。螺栓材料为35CrMoA，采用常规工艺生产，硬度要求为35～39HRC。 1 检验 1.1 材料的化学成分用VD25直读光谱仪进行了材料化学成分分析，分析结果(质量分数)列于表1。从表1 可以看出，材料的化学成分符合标准要求。 1.2 硬度测定硬度测定结果列于表2。由表可见，螺栓材料硬度虽符合技术要求，但已接近上限。 1.3 材料的显微组织 (1)在抛光态下，可见材料中含有较严重的夹杂物，其形态、分布见图1。对照标准[2]，夹杂物级别为3～4级。

图1 夹杂物形态及分布状况 100×图2 螺栓的显微组织280× 4%硝酸酒精溶液侵蚀 (2)显微组织见图2。组织为回火马氏体+粒状贝氏体，并有少量铁素体。从图2可明显看出，组织中存在严重偏析，出现回火马氏体和粒状贝氏体带，致使显微组织不均匀，而且在回火马氏体带中存在MnS夹杂。对样品螺纹根部附近的组织进行了观察，未发现脱碳现象。 1.4 断口分析 (1)图3a为断口的宏观形貌，断口较平坦，表面呈灰色，有明显的撕裂脊，呈放射状花样，放射线从中心向四周发射。表明裂纹先在中心形成，然后向外扩展。当裂纹扩展至整个横截面时，螺栓断裂。

可靠性失效解析总结计划常见方法总结计划.docx

可靠性失效分析常见思路失效分析在生产建设中极其重要，失效分析的限期往往要求很短，分析结论要正确无误，改进措施要切实可行。 1失效分析思路的内涵失效分析思路是指导失效分析全过程的思维路线，是在思想中以机械失效的规律( 即宏观表象特征和微观过程机理 ) 为理论依据，把通过调查、观察和实验获得的失效信息( 失效对象、失效现象、失效环境统称为失效信息 ) 分别加以考察，然后有机结合起来作为一个统一整体综合考察，以获取的客观事实为证据，全面应用推理的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。因此，失效分析思路在整个失效分析过程中一脉相承、前后呼应，自成思考体系，把失效分析的指导思路、推理方法、程序、步骤、技巧有机地融为一体，从而达到失效分析的根本目的。在科学的分析思路指导下，才能制定出正确的分析程序; 机械的失效往往是多种原因造成的，即一果多因，常常需要正确的失效分析思路的指导; 对于复杂的机械失效，涉及面广，任务艰巨，更需要正确的失效分析思路，以最小代价来获取较科学合理的分析结论。总之，掌握并运用正确的分析思路，才可能对失效事件有本质的认识，减少失效分析工作中的盲目性、片面性和主观随意性，大大提高工作的效率和质量。因此，失效分析思路不仅是失效分析学科的重要组成部分，而且是失效分析的灵魂。失效分析是从结果求原因的逆向认识失效本质的过程，结果和原因具有双重性，因此，失效分析可以从原因入手，也可以从结果入手，也可以从失效的某个过程入手，如“顺藤摸瓜”，即以失效过程中间状态的现象为原因，推断过程进一步发展的结果，直至过程的终点结果“; 顺藤找根”，即以失效过程中间状态的现象为结果，推断该过程退一步的原因，直至过程起始状态的直接原因“; 顺瓜摸藤”，即从过程中的终点结果出发，不断由过程的结果推断其原因“顺; 根摸藤”，即从过程起始状态的原因出发，不断由过程的原因推断其结果。再如“顺瓜摸藤+顺藤找根”、“顺根摸藤+顺藤摸瓜”、“顺藤摸瓜 +顺藤找根”等。 2失效分析的主要思路常用的失效分析思路很多，笔者介绍几种主要思路。 “撒大网”逐个因素排除的思路一桩失效事件不论是属于大事故还是小故障，其原因总是包括操作人员、机械设备系统、材料、制造工艺、环境和管理 6 个方面。根据失效现场的调查和对背景资料( 规划、设计、制造说明书和蓝图)