失效分析技术

.理化检验-物理分册PTCA (PART: A PHYS.TEST)2005年 第4114■(专题讲座失效分析技术傅国如1.2,张峥'(1.北京航空航天大学材料科学与工程学院，北京100083; 2. 北京航空工程技术研究中心，北京100076)摘要:简要介绍了失效分析技术--痕迹分析技术、裂纹分析技术和断口分析技术等的基本概念、主要内容、一般程序和基本方法,以及它们在工程失效分析中的应用。关键词:失效分析技术;痕迹分析技术;裂纹分析技术;断口分析技术中图分类号: TB303文献标识码: B文章编号: 1001-4012(2005)04-0212 04FAILURE ANALYSIS TECHNOLOGYFU Guo-rul2，ZHANG Zheng'(1. School of Materials Science and Engineering, Bejing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;2. Beijing Aeronautical Technology Research Center, Beijing 100076, China)Abstract: There are trace analysis technology, crack analysis technology and fractography analysistechnology in failure analysis technology. T he basic concept, principal content, common process and basic means areintroduced in this paper. The application of these three techniques in engineering failure analysis was also introducedin this paper.Keywords: Failure Analysis technology; Trace analysis technology; Crack analysis technology; Fractographyanalysis technology失效分析是-一门系统工程,其中的分析技术是在失效分析范畴,痕迹的具体含义是指:痕迹的其理论和实践基础。失效分析技术主要包括痕迹分形貌(或称花样) ;痕迹区、污染物及反应产物的化学析技术、裂纹分析技术和断口分析技术等相关内容。成分; 痕迹颜色的种类、色度、分布和反光等;痕迹区材料的组织和结构;痕迹区的表面性能;痕迹区的残1痕迹分析技术[1.2]余应力分布;从痕迹区散发出来的各种气味;痕迹区痕迹分析是失效分析中常用的一种分析方法和的电荷分布和磁性等。痕迹分析即是对失效件的上技术。通过痕迹分析,不仅可对事故和失效的发生、述特征的变化进行鉴别,并找出其变化原因,为失效发展过程做出判断,而且可为事故和失效分析结论分析提供线索和依据的技术活动。提供可靠的佐证和依据。1.2痕迹分析程序1.1痕迹及痕迹分析概念在一般情况下,痕迹分析应按如下程序进行。广义地说,痕迹是指环境作用于系统,在系统表(1)发现和显现痕迹这是痕迹分析的前提和面留下的标记。在机械失效中,系统指的是失效的基础。应以现场为起点,先收集能反应整体破坏顺构件或零件,而环境则是指外来的力学、化学、热学、序的痕迹 ,后收集具体零部件外部的痕迹,再收集零电学等因素。因此,对机械失效，痕迹可定义为力部化中国煤化工染物和分离物。学化学热学、电学等环境因素单独地或协同地作|YHCNM H G洗、记录和保存痕迹用于机械,并在其表面或表面层留下的损伤性标记。方法有复印、制模法、静电法和AC纸粘附法等。痕迹的记录可以用文字、示意图和照片。收稿日期:2005-03-08(3)鉴定痕迹对具体的痕 迹特征进行针对性作考箭方魏据如(1968- ),男,高级工程师,硕士。检验,从而确定痕迹的性质、产生的时间和条件。鉴●212●理化检验物理分册傅国如等:失效分析技术定时,应按由表及里、由简而繁、先宏观后微观、先定高性后定量,按形貌组织结构-性能的顺序进行。良接触或作用(4)模拟再现痕迹必要时可在产 品上进行，拆检同型号的、已使用过的产品的相应痕迹加以对留痕物比是-种更真实的“试验”。图1痕迹的形成(5)综合分析痕迹分析需综合考虑形成痕迹Fig.1 Trace formation的过程、条件和影响因素,痕迹的可变性及与零件工作失效的关系等,以确定痕迹的性质和原因。和加工痕迹等七类。1.3痕迹的发现和显现技术(2)机械接触痕迹由 于机械力的作用而在接痕迹的发现和显现就是将隐藏的、不明显的痕触部位留下的痕迹称为机械接触痕迹,简称机械痕迹特征揭示出来,以确定痕迹的分布及其规律,为进迹。依据接触方式和相对机械运动方式的不同,机一步的痕迹性质鉴定提供目标。械痕迹又可分成如下五种。痕迹是一种表面特征,寻找痕迹应在零部件的①压人性机械痕迹简称压痕 ,是造痕物压人表面进行,并根据地点、机件等不同采取相应的方留痕物,在接触面留下的痕迹。典型形貌是压坑、压法。对大的机件,如飞机、汽车等,应着重从零部件伤.压陷和压痕,如压人法测量金属硬度时在金属表的表面颜色变化表面结构轮廓变化、形貌变化等肉面留下的各种规则的印痕,在零件表面敲上的钢印眼易见的特征上来发现痕迹;当零部件较小时,在实编号、标记等。压痕--般具有如下特征:形貌规则,.验室借助一定的仪器设备来进行的同时,应在以上边界清晰,与造痕物接触部位的形状吻合;在垂直表检查的基础上，重点从粗糙度变化、细小附着物、擦面的方向上变形最大;面积大小和深度与作用在压痕划痕、材料成分和组织等方面来发现痕迹。头上的法向载荷成正比、与压头的接触面积成反比;1.4痕迹的提取、 固定、清洗、记录和保存技术保载时间越长,压痕越大;不会产生磨粒,很少有材为了得到痕迹的准确信息,需对痕迹进行清理,料粘着和转移;材料不同,压痕也不相同。图2是导以去除保护涂层、腐蚀产物和灰尘之类的松散沉积致~飞机座舱抛盖活门薄膜破裂的压痕形貌,其形状物。常用的清理技术有机械刷洗法、有机溶剂清洗规则,底部减薄最大、边缘隆起、边缘至底部均匀过法弱酸或碱性溶液处理法和超声清洗法。渡,为典型的容积形压坑。1.5痕迹的鉴定1.5.1痕迹的形 貌鉴定痕迹的形貌鉴定是痕迹分析的关键。应首先通过肉眼观察确定痕迹的整体分布特征与规律,然后以有代表性的局部痕迹来重点分析痕迹的性质。(1)痕迹的形成要素和分类- 般来说,形 成痕迹包含三个基本要素:①造痕物,即痕迹的制造者,是直接接触并作用于机械表面的物体或介质。28um②留痕物，即造痕物作用的对象,一般指机械表面。造痕物与留痕物是相对的,有时在两个匹配的接触图2飞机座舱抛 盖活门薄膜表面压痕面都会留下痕迹。③造痕物和留痕物发生相互接Fig.2 Impress trace formation of seat cabin触或非正常作用。valve film in aircraft图1示出了痕迹的形成原理。当造痕物与留痕物发生相互接触或作用,痕迹就会形成。对机械痕中国煤化工宁发生事故(或故障)迹,造痕物与留痕物之间的这种作用就是力,而且一时机件E指示位置是否存在外来物JYH.CN.MH G失效信息。般为压应力。根据痕迹形成的机理和条件的不同，可将机械失效中的痕迹分为机械接触痕迹、腐蚀痕②撞击性机械痕迹撞 击性机械痕迹的机械迹、电侵蚀痕迹污染痕迹分离物痕迹、热损伤痕迹力作用时间很短,变形速度大,接触面之间以垂直接触面方向的相对运动为主。如飞机坠毁时的接地痕。213.P.理化检验物理分册傅国如等:失效分析技术迹等。撞击性机械痕迹可分为外物打伤痕迹、多次碎渣堆积撞击表面疲劳痕迹和冲蚀损伤痕迹三种。③滑动性机械痕迹又称摩擦痕迹,是在摩擦过程中形成的痕迹,如机械表面的各种划痕、磨痕、刮痕等,是机械表面最常见的机械痕迹。根据其形成机理和特征,可分为犁痕(即划痕)、粘着痕迹摩:划痕形成方向擦疲劳痕迹和摩擦腐蚀痕迹等四类。犁痕是其中最常见的一种,也是整个机械痕迹中较常见的一-种痕图5材料碎渣在表面凸起处堆积Fig. 5 Material accumulation ahead heave迹准确判断其形成的条件、方向和机理对诊断整个事故或失效的形成过程和原因具有重要的意义。一约 30°的方向右倾斜.指示了犁痕的形成方向。般需从犁痕的起始、末端、沟边和沟底四个部位的宏(f)撞击型的犁痕,由于造痕物对留痕物的作观、微观特征来对犁痕进行鉴别,其中特别要注意细用力逐渐减小，因此,划痕宽度会由粗变细,深度会微形貌和材料转移特征。犁痕的方向,一般可根据由深变浅,材料转移会由多变少;犁痕的宏观形状呈以~下特点来鉴别: .(a)直接犁人的犁痕，起点处不但没有材料堆收敛形,收敛的方向就是犁痕的形成方向。④滚动性机械痕迹工程上所说的滚动性机积，而且往往出现凹陷,如图3左边所示。槭痕迹,实际上都是滚压或滚滑性机械痕迹,简称为滚动痕迹。如各种轮胎滚压痕迹和履带滚压痕迹,.滚动接触疲劳痕迹等。⑤微动性机械痕迹微动 就是名义上相对静止的两个固体,其相互接触的表面在法向压力作用下互相挤压并产生往复的相对滑动。相对滑动幅度图3犁痕方向的判断在5~400μm。微动性损伤有微动疲劳、微动磨损Fig. 3 Judgement of plough trace direction和微动腐蚀等。(b)如果先形成压印痕,再发展成划痕,则起点(3)腐蚀痕迹金属腐蚀是指金属与周围介质处会留下压印痕的特征。发生化学或电化学作用,导致金属损伤的各种转变(c)一次性的划痕,结尾往往带有突然性,在犁过程。金属腐蚀必有腐蚀产物出现。腐蚀经常与其痕的末端有比较明显的材料堆积,如图4所示。它失效形式协同作用,产生更为严重的复合失效形式，如腐蚀磨损、腐蚀疲劳、热腐蚀和应力腐蚀等。零件是否发生了腐蚀,可以从表面颜色、形貌、表面层化学成分、物资结构等是否有变化和导电、导热、表面电阻等表面性能的变化等方面来鉴别。如钢和铸铁,腐蚀开始时金属表面颜色发暗,腐蚀轻时呈暗灰色,进- -步发展会变为褐色或棕黄色,严重腐蚀呈棕色或褐色疤痕甚至锈坑。(4)污染痕迹各 种污染物附着在表面而留下图4犁痕末端材料堆积的痕迹成为污染痕迹。污染痕迹分析的内容很多、Fig. 4 Material accumulation in end of plough trace范围很广,除常规的各种理化检验方法外,主要还有(d)当划痕途经表面凹凸处时,会在凸起前缘气氛分析油沙公哲府劬产物分析和磨粒分析。中国煤化工主要:是指接触面在物形成材料碎渣的堆积,如图5所示。理、.TYHCNMH C落下来的颗粒。最常(e)--般金属材料向犁沟外侧的两边翻起,翻见的分离物有磨屑、腐蚀产物、毛刺、剥落的涂层、镀起的金属毛刺的倾斜方向为表面犁沟的形成方向。层、烧熔溅痕等。分离物痕迹分析主要是指分离物图3中犁痕的方向为从左向右,两侧的金属毛刺呈本身的形貌、成分、结构颜色和磁性等方面的分析。, 214万.方数据理化检验-物理分册傅国如等:失效分析技术(6)热损伤痕迹在热 能作用下,接触部位发1.6痕迹的模拟再现生局部不均匀的温度变化而在表层留下的痕迹称为通常的痕迹模拟再现试验有实验室实验和现场热损伤痕迹。表面层局部过热、过烧、熔化、烧穿,漆实验两种。实验室实验可在专用实验机上进行,试层及非金属表面烧焦都会留下热损伤痕迹。热损伤验件可以根据试验机的要求选用同类零件或试片，痕迹一般可从颜色的变化，表面层成分、结构的变但实验参数应调整到与痕迹分析中得出的痕迹条件化,显微组织的变化，表面性能的改变,形貌特征等-致。现场试验是比实验室试验更准确、更可靠的五方面进行分析。如不锈钢,在430~ 480C开始变模拟再现方法,其工作条件一般与失效时的情况更色，随温度上升,颜色从黄褐色变为淡蓝色、蓝色和接近,但相应的一些试验参数也应该根据前面的分黑色。析进行适当的调整。(7)电损伤痕迹包括电侵蚀(电腐蚀)和静对由模拟试验得出的痕迹,应与失效件.上的痕电损伤两大类。迹进行对比分析。如果模拟试验再现了失效痕迹特①电侵蚀,其痕迹主要有电蚀坑、金属熔球、金征,说明对痕迹形成的条件和原因分析基本正确;如属转移等。电侵蚀的主要危害是使电路工作不稳果没有再现，应分析其中的原因,并对失效痕迹进行定、电路元件烧毁、引起火灾。如,一.飞机的左操作补充分析与完善,在此基础上调整试验参数,再次进台起火,原因是开关内部电弧引起。行模拟试验,直到痕迹被再现。②静电放电痕迹,由于静电放电现象而在放电1.7痕迹的综合分析部位留下的痕迹称为静电放电痕迹。其主要宏观特痕迹的综合分析是在对痕迹的形貌、成分、组织征是放电过程中形成的碳及碳化物，使放电部位的结构和性能等进行鉴定的基础上，综合考虑痕迹的表面颜色发黄、发灰或发黑。局部的高温熔融,使放模拟再现试验情况,分析确定痕迹的性质和产生条电部位表面颜色变成深蓝。放电过程中,放电体上件(原因) ,为整个失效分析提供依据的过程。痕迹会形成类似于火山口状的“火花放电微坑”。综合分析的目的是要确定痕迹的性质和来源(产生(8)与裂纹源有关的痕迹与 裂纹源有关的痕的条件或原因)。迹很多,概括起来主要有冶金夹渣、挤压裂口、加工1.7.1痕迹的性质痕迹、电笔烙印、钎焊沿晶氧化微裂纹、焊接冷裂纹不同性质的痕迹具有不同的特征,不同的特征等6种。反应不同的痕迹形状，痕迹性质与痕迹特征之间具1.5.2 痕迹的成分鉴定有对应关系。通过对痕迹进行全面的分析,可确定痕迹的成分鉴定是对留痕物上的表面附着物、痕迹的各项特征,由此基本分析出痕迹的性质。分金属粘结物的元素种类和含量进行分析，以确定造析中需要综合考虑痕迹的各方面特征后才能做出最痕物的种类。常用的分析仪器为通过各种发射谱进后的结论,切不可只根据--两个特征,或只根据宏观行表面成分分析的各种表面分析谱仪。特征或微观特征,就确定痕迹的性质。1.5.3 痕迹的组织结构鉴定如,一发动机的压气机叶片发生疲劳断裂,源区痕迹的组织结构鉴定一般采用表面微区 晶体结存 在一凹坑痕迹(见图6)。宏观下该痕迹位于叶片构分析技术。目前,适用于厚块试样表面结构分析的进气边缘,呈豁口状,底部已露出金属光泽;微观的有低能电子術射技术、反射式高能电子衍射技术、下底部可见细小的擦痕,盆面尾端有金属毛边,见图反射电子衍射技术、电子通道花样技术、电子背散射7。由以上痕迹特征可以判断,该痕迹为打伤痕迹,花样技术.X射线柯塞尔花样技术等。方向为从进气边缘指向叶盆面。进-步的分析表1.5.4 痕迹区的性能鉴定明,这一打伤痕迹是导致该叶片疲劳断裂根本原因。痕迹区的性能鉴定是指对痕迹区进行的各种物1.7.2痕迹的来源(产 生)理性能、化学和力学性能的检测分析。包括表面力中国煤化宁原因或条件,这是失学性能检测,表面电阻、磁性等物理性能检测和耐磨效痕TH.CNMH(分析的基础是痕迹的性、耐蚀性等性能检测。用于这些性能检测的仪器性质分 ，小向工质的很理只有不同的产生条件,也主要有表面应力测定仪、显微硬度计、腐蚀电位仪、就具有不同的产生原因,即痕迹的性质与原因之间以及其它检测表面各种性能的测试仪器。具有对应关系.基本确定了痕迹的性质后,综合考.215.理化检验物理分册PTCA (PART: A PHYS.TEST)2005年第41卷14■关于举办一、二级理化检验人员技术培训的通知机械工业理化检验人员技术培训和资格鉴定培训时间:2005年5月19~26日委员会秘书处、中国机械工程学会理化检验分会、费用:各专业培训费1200元。住宿费120上海材料研究所检测中心经研究决定,于2005年元/人●天,食宿统-安排,费用自理。5月18~26日在上海材料研究所联合举办化学分联系人:陶美娟，电话: 021- 55541226, 021-析、力学性能、金相检验三个专业的一、二级检验65556775- 251/310,传真:021-55541226。人员技术培训班,现将有关事项通知如下。联系地址:上海材料研究所检测中心(上海市报名条件:邯郸路99号,邮编: 200437)。(1)本专业中专毕业以上学历(含中专),连.交通路线:从火车站北出口处可乘942路公续从事本专业工作年限满一年;交车至运光新村站下。另经上海材料研究所的公(2)高中、中技毕业学历及非本专业中专毕交车有139, 59, 118, 133, 812, 828, 850, 854, 866, .业以上学历(含中专),连续从事本专业工作年限933, 942,川虹专线、机场四线等。满二年。欲参加者,请速联系,并提供近期免冠照片两报到及培训地点:上海山西宾馆(上海市松花张.本人工作简历--份及学历、职称证书复印件。江路2601号)。机械工业理化检验人员鉴定委员会秘书处实验操作及考核地点:上海材料研究所(上海中国机械工程学会理化检验分会市邯郸路99号)。上海材料研究所检测中心报到时间:2005年5月18日(上接第206页)齿轮刀具中,当碳化物不均匀度>5级或存在大块碳化物堆集,则都会由于崩刃甚至掉齿而失效[2]。失效剃齿刀中存在的碳化物分布不均匀是由于铸态组织中有骨骼状莱氏体共晶网,这些粗大的碳化物只能用锻造的方法将其破碎，但若锻造不充分,图6发动机压 气机叶片断裂源处的打伤痕迹则显微组织中不均匀分布的碳化物(如网状带状碳化物等) ,无法通过热处理来消除,从而导致刀具的Fig.6 Hit trace in aero-engine lamina力学性能不能满足要求。因此,高速钢的锻造除了成型的作用之外,更重要的是改善碳化物的分布,消除碳化物不均匀性,一-般要求反复镦粗、拔长,锻造比大,这样才能获得较均匀分布的碳化物。4结论剃齿刀的断齿是由于显微组织中碳化物分布不均匀导致其在使用过程中产生崩刃[3]。参考文献:图7. 上图打伤痕迹的放大形貌Fig. 7 Hit trace in aero engine laminaC1]中国煤化Iv0.上海:上海科学技术文YHCNMHG虑零件的工作原理.工况条件和生产制造工艺过程，[2]"上海市机械制造工艺研究所.金相分析技术[M].上海:上海科学技术文献出版社，1987. 386- - 397.痕迹产生的原因也就基本清楚了,通过模拟再现试[3]杨伟旗. 高速钢原材料检验方法探讨[J].理化检验物验,既完善了分析过程,又验证了分析结论。(待续)理分册，2002 , 38(7) :300- -302.218.