失效分析案列学习.pdf

摘摘 要要: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 失效分析是一门系统工程,其中的分析技术是其理论和实践基础失效分析技术主要包括痕迹分析技术、 裂纹分析技术和断口分析技术等相关内容 1 痕迹分析技术1 痕迹分析技术[1 1,2 2] 痕迹分析是失效分析中常用的一种分析方法和技术通过痕迹分析,不仅可对事故和失效的发生、 发展过程做出判断,而且可为事故和失效分析结论提供可靠的佐证和依据 1 1.1 痕迹及痕迹分析概念1 痕迹及痕迹分析概念 广义地说,痕迹是指环境作用于系统,在系统表面留下的标记在机械失效中,系统指的是失效的构件或零件,而环境则是指外来的力学、 化学、 热学、 电学等因素 因此,对机械失效,痕迹可定义为力学、化学、热学、电学等环境因素单独地或协同地作用于机械,并在其表面或表面层留下的损伤性标记 在失效分析范畴,痕迹的具体含义是指:痕迹的形貌(或称花样);痕迹区、污染物及反应产物的化学成分;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;痕迹区的残余应力分布;从痕迹区散发出来的各种气味;痕迹区的电荷分布和磁性等。

痕迹分析即是对失效件的上述特征的变化进行鉴别,并找出其变化原因,为失效分析提供线索和依据的技术活动 1 1.2 痕迹分析程序2 痕迹分析程序 在一般情况下,痕迹分析应按如下程序进行 (1)发现和显现痕迹 这是痕迹分析的前提和基础应以现场为起点,先收集能反应整体破坏顺序的痕迹,后收集具体零部件外部的痕迹,再收集零部件之间的痕迹,最后搜集污染物和分离物 (2)提取、固定、显现、清洗、记录和保存痕迹方法有复印、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 (3)鉴定痕迹 对具体的痕迹特征进行针对性检验,从而确定痕迹的性质、产生的时间和条件鉴定时,应按由表及里、由简而繁、先宏观后微观、先定性后定量,按形貌 2 组织结构 2 性能的顺序进行 (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比是一种更真实的“试验” (5)综合分析 痕迹分析需综合考虑形成痕迹的过程、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 1.3 痕迹的发现和显现技术痕迹的发现和显现技术 痕迹的发现和显现就是将隐藏的、不明显的痕迹特征揭示出来,以确定痕迹的分布及其规律,为进一步的痕迹性质鉴定提供目标。

痕迹是一种表面特征,寻找痕迹应在零部件的表面进行,并根据地点、机件等不同采取相应的方法对大的机件,如飞机、汽车等,应着重从零部件的表面颜色变化、表面结构轮廓变化、形貌变化等肉眼易见的特征上来发现痕迹;当零部件较小时,在实验室借助一定的仪器设备来进行的同时,应在以上检查的基础上,重点从粗糙度变化、细小附着物、擦痕、划痕、材料成分和组织等方面来发现痕迹 1.4 痕迹的提取、固定、清洗、记录和保存技术痕迹的提取、固定、清洗、记录和保存技术 为了得到痕迹的准确信息,需对痕迹进行清理,以去除保护涂层、 腐蚀产物和灰尘之类的松散沉积物常用的清理技术有机械刷洗法、有机溶剂清洗法、弱酸或碱性溶液处理法和超声清洗法 1.5 痕迹的鉴定痕迹的鉴定 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 一般来说,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②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面都会留下痕迹。

③造痕物和留痕物发生相互接触或非正常作用 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迹,造痕物与留痕物之间的这种作用就是力,而且一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、腐蚀痕迹、电侵蚀痕迹、污染痕迹、分离物痕迹、热损伤痕迹和加工痕迹等七类 图 1 痕迹的形成 (2)机械接触痕迹 由于机械力的作用而在接触部位留下的痕迹称为机械接触痕迹,简称机械痕迹依据接触方式和相对机械运动方式的不同,机械痕迹又可分成如下五种 ①压入性机械痕迹 简称压痕,是造痕物压入留痕物,在接触面留下的痕迹典型形貌是压坑、压伤、压陷和压痕,如压入法测量金属硬度时在金属表面留下的各种规则的印痕,在零件表面敲上的钢印编号、标记等压痕一般具有如下特征:形貌规则,边界清晰,与造痕物接触部位的形状吻合;在垂直表面的方向上变形最大;面积大小和深度与作用在压头上的法向载荷成正比、与压头的接触面积成反比;保载时间越长,压痕越大;不会产生磨粒,很少有材料粘着和转移;材料不同,压痕也不相同图 2 是导致飞机座舱抛盖活门薄膜破裂的压痕形貌,其形状规则,底部减薄最大、 边缘隆起、 边缘至底部均匀过渡,为典型的容积形压坑。

图 2 飞机座舱抛盖活门薄膜表面压痕 通过压痕分析,一般可确定发生事故(或故障)时机件之间相对工作位置、仪表指示位置、是否存在外来物,以及失效件解体顺序等失效信息 ②撞击性机械痕迹 撞击性机械痕迹的机械力作用时间很短,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迹等撞击性机械痕迹可分为外物打伤痕迹、多次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 一般需从犁痕的起始、末端、沟边和沟底四个部位的宏观、微观特征来对犁痕进行鉴别,其中特别要注意细微形貌和材料转移特征犁痕的方向,一般可根据以下特点来鉴别: (a)直接犁入的犁痕,起点处不但没有材料堆积,而且往往出现凹陷,如图 3 左边所示 图 3 犁痕方向的判断 (b)如果先形成压印痕,再发展成划痕,则起点处会留下压印痕的特征。

(c)一次性的划痕,结尾往往带有突然性,在犁痕的末端有比较明显的材料堆积,如图 4 所示 图 4 犁痕末端材料堆积 (d)当划痕途经表面凹凸处时,会在凸起前缘形成材料碎渣的堆积,如图 5 所示 (e)一般金属材料向犁沟外侧的两边翻起,翻起的金属毛刺的倾斜方向为表面犁沟的形成方向图 3 中犁痕的方向为从左向右,两侧的金属毛刺呈约 30°的方向向右倾斜,指示了犁痕的形成方向 图 5 材料碎渣在表面凸起处堆积 (f)撞击型的犁痕,由于造痕物对留痕物的作用力逐渐减小,因此,划痕宽度会由粗变细,深度会由深变浅,材料转移会由多变少;犁痕的宏观形状呈收敛形,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械痕迹,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 相对滑动幅度在 5～400μm微动性损伤有微动疲劳、微动磨损和微动腐蚀等 (3)腐蚀痕迹 金属腐蚀是指金属与周围介质发生化学或电化学作用,导致金属损伤的各种转变过程。

金属腐蚀必有腐蚀产物出现腐蚀经常与其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,进一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的痕迹成为污染痕迹污染痕迹分析的内容很多、范围很广,除常规的各种理化检验方法外,主要还有气氛分析、油液分析、腐蚀产物分析和磨粒分析 (5)分离物痕迹 分离物主要是指接触面在物理、化学作用下从接触面上脱落下来的颗粒最常见的分离物有磨屑、腐蚀产物、毛刺、剥落的涂层、镀层、烧熔溅痕等分离物痕迹分析主要是指分离物本身的形貌、成分、结构、颜色和磁性等方面的分析 (6)热损伤痕迹 在热能作用下,接触部位发生局部不均匀的温度变化而在表层留下的痕迹称为热损伤痕迹表面层局部过热、过烧、熔化、烧穿,漆层及非金属表面烧焦都会留下热损伤痕迹热损伤痕迹一般可从颜色的变化,表面层成分、结构的变化,显微组织的变化,表面性能的改变,形貌特征等五方面进行分析。

如不锈钢,在 430～480℃开始变色,随温度上升,颜色从黄褐色变为淡蓝色、 蓝色和黑色 (7)电损伤痕迹 包括电侵蚀(电腐蚀)和静电损伤两大类 ①电侵蚀,其痕迹主要有电蚀坑、金属熔球、金属转移等电侵蚀的主要危害是使电路工作不稳定、电路元件烧毁、引起火灾如,一飞机的左操作台起火,原因是开关内部电弧引起 ②静电放电痕迹,由于静电放电现象而在放电部位留下的痕迹称为静电放电痕迹其主要宏观特征是放电过程中形成的碳及碳化物,使放电部位的表面颜色发黄、发灰或发黑局部的高温熔融,使放电部位表面颜色变成深蓝放电过程中,放电体上会形成类似于火山口状的“火花放电微坑” (8)与裂纹源有关的痕迹 与裂纹源有关的痕迹很多,概括起来主要有冶金夹渣、挤压裂口、加工痕迹、电笔烙印、钎焊沿晶氧化微裂纹、焊接冷裂纹等 6 种 1.5.2 痕迹的成分鉴定 痕迹的成分鉴定是对留痕物上的表面附着物、金属粘结物的元素种类和含量进行分析,以确定造痕物的种类常用的分析仪器为通过各种发射谱进行表面成分分析的各种表面分析谱仪 1.5.3 痕迹的组织结构鉴定 痕迹的组织结构鉴定一般采用表面微区晶体结构分析技术目前,适用于厚块试样表面结构分析的有低能电子衍射技术、 反射式高能电子衍射技术、反射电子衍射技术、电子通道花样技术、电子背散射花样技术、X 射线柯塞尔花样技术等。

1.5.4 痕迹区的性能鉴定 痕迹区的性能鉴定是指对痕迹区进行的各种物理性能、化学和力学性能的检测分析包括表面力学性能检测,表面电阻、磁性等物理性能检测和耐磨性、耐蚀性等性能检测用于这些性能检测的仪器主要有表面应力测定仪、显微硬度计、腐蚀电位仪、以及其它检测表面各种性能的测试仪器 1.6 痕迹的模拟再现痕迹的模拟再现 通常的痕迹模拟再现试验有实验室实验和现场实验两种实验室实验可在专用实验机上进行,试验件可以根据试验机的要求选用同类零件或试片,但实验参数应调整到与痕迹分析中得出的痕迹条件一致现场试验是比实验室试验更准确、更可靠的模拟再现方法,其工作条件一般与失效时的情况更接近,但相应的一些试验参数也应该根据前面的分析进行适当的调整 对由模拟试验得出的痕迹,应与失效件上的痕迹进行对比分析如果模拟试验再现了失效痕迹特征,说明对痕迹形成的条件和原因分析基本正确;如果没有再现,应分析其中的原因,并对失效痕迹进行补充分析与完善,在此基础上调整试验参数,再次进行模拟试验,直到痕迹被再现 1.7 痕迹的综合分析痕迹的综合分析 痕迹的综合分析是在对痕迹的形貌、成分、组织结构和性能等进行鉴定的基础上,综合考虑痕迹的模拟再现试验情况,分析确定痕迹的性质和产生条件(原因),为整个失效分析提供依据的过程。

痕迹综合分析的目的是要确定痕迹的性质和来源(产生的条件或原因) 1.7.1 痕迹的性质 不同性质的痕迹具有不同的特征,不同的特征反应不同的痕迹形状,痕迹性质与痕迹特征之间具有对应关系。