焊件失效分析 太原理工大学材料成型及控制工程专业

Presentation on theme: "焊件失效分析 太原理工大学材料成型及控制工程专业"— Presentation transcript:

1 焊件失效分析 太原理工大学材料成型及控制工程专业

2 第一节 焊件失效分析的概念﹑目的和意义 一、焊件失效分析的概念
第一节 焊件失效分析的概念﹑目的和意义 一、焊件失效分析的概念 焊件失效：在焊接产品的零部件组装焊接过程中，由于产生裂纹、气孔、夹杂等缺陷，或者产生变形，或者接头产生严重脆化而使焊件丧失规定功能的质量事故。 焊件失效分析：针对焊件失效，在分析失效现场资料和背景资料的基础上，通过一系列的物理化学试验，获得大量反映失效物理过程的信息，然后对这些信息通过由表及里、由此及彼、去粗取精、去伪存真的综合分析，找出失效的原因，并采取相应的措施消除隐患，从而保证焊件质量的技术工作。

3 二 失效的形式及其类型 失效的分类比较复杂，在这里不可能一一作介绍，本文按失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。 1) 断裂失效(其中包括破断失效) 断裂是指金属，或合金材料，或机械产品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。 断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能

4 2) 变形失效 所谓变形通常是指机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。
从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。 变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时的变形量。一般情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。

5 3) 磨损失效 磨损是指金属或合金的两个相互紧密结合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。在微观范围内，金属表面是不存在完全光滑的平面，它们总是粗糙的。当两个金属表面在很小的压力作用下使两面相接触，面之间只有少数的凸出质点或线接触；在发生相对运动时，一个面上的凸出质点首先要碰到另一个面上的凸出质点，这时容易变形的部分软化，沿运动方向变形或挤出。 磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。

6 4) 腐蚀失效 腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济上所造成的损失是相当严重的。然而，就其总的功过而论却是破坏性的。 由于腐蚀作用使机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。

7 三 失效分析的目的 1 防止同类失效现象重复发生 2 失效分析是机械产品设计、制造的依据 3 消除隐患，确保产品安全可靠
通过对失效机械产品的分析研究，可以测定机械产品的失效原因及其影响因素，并且根据这些测定结果制定改进措施，以防同类失效现象的重复发生。 2 失效分析是机械产品设计、制造的依据 失效分析在整个机械产品生产过程中占据着重要地位，尤其是机械产品的设计、制造、加工、选材、装配及使用条件等的确定均由失效分析提供依据。 3 消除隐患，确保产品安全可靠 失效分析可以几时发现产品的缺陷，并且将隐患消除在事故的萌发阶段。特别是利用“故障树”预测系统的安全性和可靠性更为有利。“故障树”是失效分析中的一种方法，它主要由各种可能引起系统失效的事故和连接这些事故的逻辑门组成的图形，并显示出他们之间的相互关系。 4 失效分析可以提高产品的信誉 机械产品的信誉主要是由产品的质量、寿命及可靠性等指标来保证的，同时也要求产品价廉物美，经久耐用。因此要提高产品的信誉就必须使产品达到质量好、寿命长、可靠性高，而这些指标是由失效分析来保证的。实效分析不仅可以提高产品的质量和延长产品的使用寿命，而且还能进行技术反馈，提高企业的经济效益。

8 四 失效分析方法 （一）失效分析基本思路： 1. 对具体服役条件下的零部件进行具体分析，从中找出主要的失效形式及主要失效抗力指标。
2. 运用金属学、材料强度学和断裂物理、化学的研究成果，深入分析各种失效现象的本质，以主要失效抗力指标与材料成分、组织、状态的关系，提出改进措施。 3. 根据“不同服役条件要求材料强度和塑性、韧性的合理配合”这一规律，分析研究失效零部件现行的选材、用材技术条件是否合理，是否守旧的传统学术观念束缚。

9 4. 采用局部复合强化，克服零部件上的薄弱环节，争取达到材料的等强度设计。
5. 在进行失效分析和提出防止失效的措施时，还应做到几个结合： (1) 设计、材料、工艺相结合，即对形状、尺寸、材料、成型加工和强化工艺统一考虑； (2) 结构强度（力学计算、实验应力分析）与材料强度相结合，试验与模拟相结合； (3) 宏观规律与微观机理相结合，宏观断口和微观断口分析相结合，宏观与显微、亚显微组织分析相结合； (4) 试验室规律性试验研究与生产试验相结合。

10 （二）失效分析过程： 1. 原始资料的收集 原始资料是指构件服役前的全部经历，构件的服役历史和断裂时的现场情况等。此外，还要从散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。 首先要了解构件的设计依据，参数和图纸；其次是了解构件的制造和加工工艺；然后了解构件的物理性质、力学性能和化学成分分析的检验报告；最后还要了解构件的安装情况和试车情况等。 其次要了解构件的服役历史： (1) 查阅操作人员的工作记录； (2) 构件的实际运行情况； (3) 构件所处的环境条件。 可是，实际上是很难知道构件的全部服役历史的。这时必须从零星的使用情况分析构件服役时的负载变化，尽量从使用条件中得出一些分析依据。

11 2. 现场记录及残骸的收集 断裂失效现象发生后，分析人员要亲临现场，深入了解失效发生时各种条件和事故过程。对散落的碎片，均应观察其所处的位置、环境和取向，经详细记录或摄影后，方可移动。同时还应注意损坏构件与其他构件之间的关系和相互影响，并予以记录。 收集的碎片应尽可能齐全，尤其是首先断裂的部分。除沾着的腐蚀介质应即时清洗去掉外，对断口上的其他沉积和粘附物质，甚至砂粒或污物等，一般均暂不清除，待进行细致的断口观察后再作处理，因为这些物质对断裂原因的分析常常能提供有用的线索

12 3. 碎片（或断片）的选择与保存 断片是断裂失效分析的第一手资料，是断口分析的依据，在断裂事故发生后应小心谨慎收集，妥为保存。 4. 断口分析 在机械构件断裂事故中，一般都要形成断口，因此断口分析是断裂失效分析的最重要的分析手段。 在断口分析技术中，最关键的两项工作是：①断口的选择；②断口的观察。 对于断裂原因的正确分析及断口形貌的正确解释，在很大程度上依靠与断口样品的正确选择及断口形貌的清晰程度，其详细内容在后续章节中讲解。

13 5. 其它检验分析 在失效分析中，为更好地获得分析结果，除了进行断口分析之外，还必须进行化学、力学、物理等试验分析。 （1）化学分析 在失效分析中，为了查明材料是否符合规定要求，必须进行化学成分分析。实际使用的材料成分与规定成分稍有偏差，在失效分析中并不太重要。只有很少数的服役失效是由于材料使用不当或者有缺陷而引起的。因此，从化学成分分析的结果去找到失效的原因是很少见的。 （2）金相检验 金相检验在构件断裂失效分析中也是经常应用的一种重要手段，有些损坏构件往往只需作金相检验就可以查明损坏的原因。例如由加工工艺、材质缺陷和环境介质等因素所导致的损坏，均可通过金相检验来判别损坏的原因。

14 金相检验的内容，主要由晶粒的大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的变化、夹杂物、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。特别应注意晶界的检验，是否有析出相、腐蚀及变化等现象发生。
当检查裂纹时，往往能从裂纹尖端的试样得到最有价值的情报。由于它受到环境介质的影响较小，容易判别裂纹扩展路径的方式—穿晶型或沿晶型。 （3）结构分析 断口上经常有夹杂物、第二相、腐蚀产物等析出或生成，它们对构件断裂尤其是沿晶断裂影响显著。因此，对它们进行结构分析，通常使用X射线衍射仪及电子显微镜的选区电子衍射，以确定其结构及化学组成是很有必要的。 6. 综合分析 失效分析进行到一定阶段，需要对从各种检查和试验所获得的结果和基本试验数据进行全面的分析研究。

15 五 断口分析 （一）断口分析的重要性 在断口上忠实地记录了产生裂纹的原因，外部因素对裂纹萌生的影响及材料本身的缺陷对裂纹萌生的促进作用；同时也记录着裂纹发展的途径、发展过程及内外因素对裂纹扩展的影响。简言之，断口上记录着与断裂有关的各种信息，这些信息是可以分析的，通过断口分析就可以找出断裂的原因及影响因素。因此，断口分析在断裂失效分析中占据着特殊重要的位置。可以说断口分析是断裂失效分析的核心，同时又是断裂失效分析的向导，指引断裂失效分析少走弯路。 断口上所记录的各种信息是断裂力学、断裂化学、断裂物理学诸方面的内外因素综合作用的结果，对断口由定性到定量的精确分析，断裂机理的深入研究必然推动断裂物理、断裂化学、断裂力学的发展。 此外，断口分析对研制新材料也是十分重要的手段，通过断口分析可以提供关于断裂的原因、性质、裂纹的走向、裂纹扩展速率与合金的相组成、组织结构、杂质元素之间的关系、从而对进一步改进材料质量提供了方向和可能。

16 （二） 断口分析的依据 1、依据端口的颜色 　　有无氧化色彩可以判断断裂间的工作温度高低；有无腐蚀产物的特殊色彩可以判断腐蚀的情况和程度；有无冶金夹杂的特殊色彩可以判断冶金因素的作用；根据疲劳断口的各区光亮程度，可以判断疲劳源的位置。 2、依据断口上的花纹 　　如在宏观上可见疲劳线或在微观上有疲劳条带，可以判定为疲劳断口（图4-1）；在疲劳断口上有无台阶，可以判断交变应力的大小；如有放射状的撕裂棱线和人字纹花样，则是脆性材料或快速加载的断裂特征。如有弹性干涉条纹，则是极脆材料，如玻璃断裂的特征；宏观断口上呈纤维状或长毛绒状，则是韧性断裂的特征。

17 3、依据断口的粗糙程度 　　断口的粗糙程度可以判断断裂零部件的受力大小和定性的估计材料的晶粒大小及裂纹的扩展速率；断口呈颗粒状时，依据颗粒的大小和形状、分布可以判断零件的工艺历史及其工艺参数正确与否；断口上的反光“小刻面”存在与否和多少，可以判断金属材料的冶金质量、杂质相的多少、或者倒相的组成；对断口的结构、端口的晶面、晶向的定量分析、在断裂机理研究中有重要的作用。 4、依据断口的边缘情况 　　从断口和零件形状来分析应力集中因素的作用；依据断口与零件变形方向的关系来判断材质对断裂所起到的作用；根据断口和主应力状态的关系来分析应力状态，进而分析断裂的性质和原因。

18 （三） 断口的保护和清洗 保护断口表面，使断口表面保持断裂瞬时的真实状态，防止重要的证据遭损坏或变得模糊不清是很重要的。断口表面可能遭到机械损伤，也可能受到化学侵蚀。机械损伤可能发生在服役失效过程中，这是人们难以避免的，也可能发生在时效后，失效（零）部件的搬运过程中发生了断口表面与其他物体碰撞，后者应加以坚决地避免。为此，在搬运之前，将断口表面覆盖一层布或棉花；但是这样可能会无意中擦掉一些松散附着在表面上的物质，而这些物质往往包含着有助于弄清失效原因的重要线索。为了防止松散附着物失落，应提前将附着物取下并保存好。 　一定要避免手指触摸和擦拭断口表面。切不可试图把断裂部件的破片互相接触对齐以恢复其原状，这样做没有什么好处，只会使断口表面遭受损害。 　为了防止断口遭到化学损伤，可用压缩空气轻轻吹干断口表面，在操作中应注意，别吹掉断口上的有用附着物，吹干后将试样放在干燥器中或用适合的干燥剂把试样封装起来。 　　有时，为了清除碎屑、污物、断口表面需要清洗。根据污染物在断口表面的粘附程度，可以采用如下的步骤，直到满意为止。

19 （1）用干燥空气吹或毛刷刷； （2）有机溶剂（如丙酮、乙醇）浸泡； （3）用弱酸或碱性溶液浸泡或刷洗，选择的溶液应当只浸蚀掉表面的沉积物，对断口本身基本不起反应； （4）超声波清洗； （5）贴上醋酸纤维纸（AC纸），然后又剥去。具体方法是：在断口表面滴上数滴丙酮，在AC纸上也滴上数滴，待纸稍许溶解，将其贴在断口上用力压紧，干燥掀去，这样反复数次，满意为止。

20 （四） 试样的截取 　为了进行失效分析，出断口分析所需要的试样之外，其它分析检验项目还需要各种式样，如机械性能试样、常规化学分析试样、电子探针试样、金相试样、低倍检验试样、断裂韧性试样等。为此都要从失效零件有代表性的部位上取样。为了不致引起试样混乱，截取之前都全面安排，在零件上画好截取的部位，用草图或照相表明各种试样在零件上的部位，以免弄混位置造成分析的困难。 　截取前或截取时应小心保护断口（裂纹），务必使截下的断口不受损伤，不改变形貌、组织，不受高温氧化、污染、并保持干燥。大部件需要用火焰切割试样时应远离断口，要避免熔滴飞溅到断口上。有条件采用线切割截取时，应尽量不使用火焰切割。 　用锯或砂轮片截取试样最好干切割，因为冷却剂会腐蚀断裂部位，也可能把非基体物质从断口上冲走，或者带来新的外来物质附着在断口上，造成假象。但是，如果没有足够的距离来避免摩擦生热对断口的氧化，那就只好采用冷却剂。为此，应设法保护断口，如用醋酸纤维纸（AC纸）预先封住裂纹或断口。 　截下的试样依次编号，并记录。 　　用于扫描电镜观察的断口试样，一般都要进行切割。切割之前应将断口保护起来。 有两种常用的办法可供选择： 　（1）用5%得火棉胶醋酸异戊脂溶液均匀地涂在断口表面上，干后切割，割后再泡在醋酸异戊脂溶液里面，是断口上的火棉胶完全洗净，再用丙酮进行清洗、热风吹干。 　（2）在断口上覆盖一层干净的纸，再用胶脂将纸和端口周围表面牢牢粘住，以免切割中脏物落在断口表面.

21 （五）断口的宏观分析术 　断口的宏观分析指用肉眼、放大镜或低倍率光学显微镜来研究断口形貌的一种方法，是断口分析的第一步和基础。通过宏观分析可以获得大量的资料，因此宏观分析受到人们的重视。通过对断口的颜色、粗糙度、花纹、唇口、边缘情况等分析，可以确定断裂的性质（如脆性断裂、韧性断裂、疲劳断裂、应力、腐蚀断裂等），可以分析金属材料断裂源的位置和裂纹的扩展方向，可以判断材料的冶金质量和热处理质量，还可以判断材料的强度水平、构件的应力集中情况、工作温度、工作环境。 　　进行宏观断口分析时，一般先用肉眼或低倍率放大镜观察整个断口各区的概貌及其相互方位，然后选择要看细节的地方，再逐渐加大显微镜的放大倍数，在观察微细结构。 　　断口表面往往十分粗糙，为获得良好的成像效果，拍照片时多用单光源斜照明，倾角一般多为30°~45°。产生明显的阴影，增加组织的衬度，产生立体感。为防止端口凹凸悬殊的地方明暗反差太大而产生失真现象，可加以质量度较低的辅助光源。

22 失效分析报告内容 失效分析报告应该写得清晰、简练和合乎逻辑。其具体内容如下： 1) 失效构件的描述； 2) 失效时的服役条件；
3) 失效前的服役条件； 4) 构件制造及热处理过程； 5) 失效构件材料的冶金质量评定； 6) 各种物理、化学、力学试验； 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。 然而，不是每一个报告都要包括上述内容。要从实际情况出发，长篇报告的开始应附有摘要。在写报告时，应尽可能避免使用怪癖难懂的技术术语。

23 六、失效分析人员的基本要求 由于失效分析重要性、复杂性和特殊性，失效分析人员除要有扎实宽广的基础理论外，还应在实践中逐步培养，并应具备以下基本素质： 1、彻底的求实精神，在任何情况下都要坚持实事求是，要用事实来说话，勇于坚持真理，修正错误。 2、敏锐的观察力和熟练的分析技术，善于利用一切手段(包括先进的仪器、设备)捕捉失效的信息和证据。 3、正确的失效分析思路和良好的失效模式、失效原因判断能力，要有“医生的思路，侦探的技巧”。 4、善于学习，向书本学习，向实践学习，向同行学习，向一切可能共事的人们学习。 5、要有扎实的专业基础知识和较广的知识面，工作能力要强，办事效率要高。

24 返回

25 返回

26 返回

27 返回

28 返回

29 返回

30 返回

31 返回

32 返回

33 返回

34 返回

35 返回

36 返回

37 返回

38 返回