第1章失效分析基本概念及方法分解

第一章 失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料记载的是在公元前 2025 年由巴比伦国王汉莫拉比撰写的法典中， 而真正把失效分析作为仲裁事故的法律手段和提高产品质量的技术手段是应用于 1862 年建 立 了世界上第一个锅炉监察局。失效分析走上系统化、综合化、理论化的新阶段是从 20 世 纪中叶，随着微电子技术的异军突起开始的。1.1失效分析基本概念各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其他形成的构 件 （工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作 任务， 如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。当这些零件失去了它应有的功能 时，则称该 零件发生了失效。失效分析的信息，客观上能够反映机械失效的起始、发展、变化和完成的全过程，以 及导 致这一失效运动的内、外原因和条件等等，通过与失效事件有关的各种途径传出，经 过失效分 析人员运用各种必要、可能的调查、检验等科学技术手段（借助科学仪器）等接 收，产生回溯 反馈，在人类已有失效规律和知识的基础上，就能较完整地在认识或实践上 再现失效的全过 程。失效事件中的信息量，是由每个具体的失效过程所决定的，而接收这 种失效信息多少，则 取决于失效分析人员的专业水平和失效分析的科学技术水平。零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：（ 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，虽然能够工作，但不能完成规 定 功能，如由于磨损导致尺寸超差等。（ 3） 零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。 如 经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行 时间， 继续使用就存在开裂的可能。国家标准 GB3187-82 中定义：“失效（故障）产品丧失规定的功能。对可修复产品，通常也称为故障。”该定 义 中涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。（1）产品 按经济学上的定义：企业进行生产活动所创造的、符合于原定生产目的和用途 的直接 生产成果，物质产品按其完成程度可分为成品、半成品和在制品。它包括任何元件、器 件、 设备或系统，可以表示产品的总体、样品等。总之，其确切含义在使用这一词时应加以说 明，但废品不能算产品。在可靠性和失效分析领域内，如不加说明，产品一般指成品。（ 2）可修复产品 当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可恢复规定 功能的产品。 即故障后可以修复的产品。一个产品是否可以修复，是一个历史的相对的概念，受多方面因素的制约。一看技术 上是 否可能；二看经济上是否值得；三看时间上是否允许。例如电阻、电容、电子管、日 光灯管、 铆钉、垫片等，一般归于不可修复产品；而起落架、油泵、机床等，只要符合规 定的技术条 件，一般属于可修复产品，但当超过规定的修理深度时，又变成不可修复产品。 所有，产品处 于“可修状态”或“不可修状态”。对一个复杂的设备或系统来讲，其中某些零件失效后是不可修复的（如轮胎爆破和前 面所 说的铆钉和垫片等） ，但对系统来说（如飞机或发动机）却是可修复的，只需将这些失 效的零 件替换。（3）功能功能是指作为产品必须完成的事项， 产品的功能和用途。 不同产品的功能是五花八门的。（4）规定的功能 规定的功能是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对 产品适用、安 全和其他特性的要求。它既是产品质量的核心，又是产品是否失效的判据。因 此，产品是 否失效主要是在使用（包括检验）过程中考察。一般来说，产品的规定功能与规定 的条件 相对应。还应具有常识上所应具备的一些功能，如儿童玩具必须具备在儿童误操作的情 况 下不会对儿童造成伤害的功能。（5）丧失 一般理解为产品原有规定的功能在商品流通或使用过程中失去 （或消失了） ，也就是说， 产品的规定功能有一个从有到无、从合格到不合格的过程。丧失，可能是暂时的、间断的或永久性的；可能是部分的、全部的；丧失可能快也可 能 慢；而丧失规定的功能，经过修理后有可能恢复，也可能无法恢复。无论上述哪种情况， 都在丧失规定功能之列，即均处于失效状态。也可能有这样的情况，产品一开始就不具备规定的功能。因此，这里建议采用“不具 备” 来代替“丧失”。从以上可以看出，失效强调的是产品所处的功能状态，失效产品从某种意义上讲也是 潜在 的不合格产品（虽然出厂时已经贴上了合格的标签） ，包括在使用初期是合格品而在规 定的有 效使用时间内功能失效的产品。而故障强调的是产品失效以后可以修复（但不是自 然恢复）， 或者说，故障是产品处于可修复的失效状态。失效分析是判断产品的失效模式，查找产品失效机理和原因，提出预防再失效的对策 的技 术活动和管理活动。失效分析的主要工作内容包括：（ 1） 调查（包括确认是否失效、取证、普查等） ；（ 2） 判断失效模式；（ 3） 查找失效原因（包括与产品失效相关的管理因素） ；（ 4） 探讨失效机理及其与失效模式的关系（过程的因果关系） ；（ 5） 失效后果（影响和危险性）分析；（ 6） 合理制定或修改失效判据（必要时才进行） ；（ 7） 失效的数理统计分析（必要并有条件时才进行） ；（ 8） 模拟再现和失效预测（必要并有条件时才进行） ；（ 9） 明确产品失效责任（必要时才进行） ；（ 10） 提出防止再失效的对策（失效分析成果的反馈和响应） ，注意新的失效因子。 失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程规律。一般可理解为失效的性质和类型。 失效模 式按其所定义的范围、属性、标准和参量，可分为一级失效模式、二级失效模式等。 模式准 确，就是要将失效的性质和类型判断准确，尤其是要将一级失效模式和二级失效模 式判断准 确。一级失效模式的分类如图 1-1 所示。 二级失效模式分类所依据的“标准”和“参量”繁 杂多样，其判断也要比一级难得多。 有兴趣的读者还可参阅有关的失效分析文献。韧性断裂失效 脆性断裂失效 疲劳断裂失效失效模式 磨损失效腐蚀失效非断裂失效 变形失效电接触失效热损伤失效 污染失效图 1-1 一级失效模式的分类失效机理是指失效的物理、化学变化本质和微观过程可以追溯到原子、分子尺度和结 构的 变化，但与此相对的是它迟早也要表现出一系列宏观（外在的）性能、性质变化和联 系。机械 失效，乃是一种物质的运动，并表现为一定的形态，故而必然会和一定的客体物 发生相互作 用，这一作用的结果必然要引起原客体物发生相互作用，这一作用的结果必然 要引起原客体物 结构和能量的变化，改变客体物的形态，产生一定的反映特征。这种反映 特征，就是失效分析 中信息源的最主要的物质基础。至于信息量的多少，是由客观事物本 身决定的。失效原因的判断是整个失效分析的核心和关键，通常是指酿成失效甚至事故的直接关 键性 因素。与失效模式一样，失效原因也可分为一级失效原因和二级失效原因等。一级失 效原因的 判断，一般指造成该失效事故的直接关键因素处于设计、材料、制造工艺、使用 及环境的那一 环节，即通常所谓的 设计是根本，材料是基础，工艺是关键，使用是保证 的某一关键环 节。失效原因的判断建立在失效模式判断的基础上，当一个失效件的二级以 上失效模式确定以 后，一般而言，一级失效原因基本上就很容易确定了。在一级失效原因 正确的基础上，探讨和 分析二级失效原因。例如设计原因引起的失效还可细分为设计思想、 结构、对载荷分析的准确 性、选材等二级失效原因。同样，失效原因的确定也分为定量确定和定性确定，在必要时，还要采用失效模拟技 术来 确定失效的原因。然而失效原因的确定是相当复杂的，其复杂性表现为失效原因具有 一些特 点，如原因的必要性、多样性、相关性、可变性和偶然性。有关这方面的深入研究 可阅读有关 参考资料。二十世纪中叶以来，随着微电子技术的异军突起 （电子光学、断口学、痕迹学、表面科 学、电子金相学等迅猛发展 ），产品失效的物理、化学过程，已能从微观方面阐明失效的本 质、规律和原因。在此基础上，失效分析逐步走上了较为系统、综合、理论化的新阶段， 并在 国民经济和技术进步中发挥着日益重要的作用，已为世人所注目。进入本世纪以来， 失效分析 进入了更加高速发展的阶段，如 2004 年在葡萄牙里斯本举办的第一届工程失效分 析国际会 议，参会人数仅有 50 人左右，而 2012 年在荷兰海牙举办的第五届工程失效分析 国际会议， 参会人数超过 250 人，设立三个分会场，涉及的领域几乎遍布各个行业部门。 在如 2005 年 和 2006 年，美国和我国目前公开发行的专业失效分析杂志 JOURNAL OF FAILURE AND PREVENTION 和失效分析与预防分别问世，进一步推动了失效分析 学科的发展。1.2失效分析基本程序失效分析过程中往往涉及到有多个零部件同时遭到破坏，情况相当复杂。因此，除了 要有 正确的分析思路外，还需要有一个合理的失效分析程序。由于产品失效的情况千变万 化，只能有适应于一般情况的失效分析基本程序。大致包括以下几方面：1）调查现场失效信息2）初步确定肇事失效件确定具体的分析思路和工作程3）序、初步判断肇事失效件的失效模4）式5）查找失效的原因6）综合性的分析7）失效分析报告失效分析基本程序中，每一步骤具体要求如下：（1）调查现场失效信息 调查现场失效信息是失效分析的第一步，对现场失效信息的调查必须给予高度重视。 它是整个失效分析工作的基础，也是逻辑推理的必要前提。现场失效信息调查是以失效现场为出发点，全面、系统、客观、细致地观察收集失效 对 象、失效现象、失效环境等现场失效信息以获取真实可靠的感官材料，即要强调现场失 效信息 的准确性、全面性、客观性和系统性，切忌片面性、主观性以及局限性。（2）初步确定肇事失效件在寻找肇事失效件过程中，往往情况比较复杂，要综合正确掌握逻辑推理，把归纳推 理、 演绎推理、类比推理、选择性推理和假设性推理这几种常用的逻辑推理方法灵活运用。（3）确定具体的分析思路和工作程序要从设计、制造、维修、使用和研究部门调查了解，历史上是否发生过类似失效事件。 如 果发生过这种失效先例，并曾作过相应的失效分析，建议按类比和逻辑推理相结合的思 路和程 序进行分析；如果没有这种失效先例时，则按逻辑推断的思路和程序进行分析。（4）初步判断肇事失效件的失效模式要仔细观察和分析肇事失效件的失效信息，例如失效的具体部位、各种痕迹、结构完 整 性、表面完整性以及各种性能变化等。同时要观察相关失效件上的有关失效信息以及所 处的具 体失效小环境。在此基础上，对肇事失效件失效模式的主要类型作出初步判断。判断肇事失效件的失效模式，实际上是一种类别的认定工作，它是以客体的种类特征 为基 础。同种和同类失效模式是个集合概念，是把种和类相同的客体物（失效事件）的特 征综合起 来，从而据以判定其失效为这一种或另一类失效模式，这实际上是一种类比推理。应当强调，人们必须先具有关于各类失效模式的基本概念、主要特征、发生条件以及 主要 判据，否则无法进行失效模式的初步判断。失效模式的初步判断意味着肇事失效件经历了这一失效模式所内涵的失效基本过程以 及相 关的必要条件和影响因素。因此，有必要首先就这一失效模式范围内的过程规律和因 果关系对 已取得的失效信息进行加工整理，以判断是否与这一失效模式所反映的宏观特征 相一致，是否 还需获取那些证据和信息。肇事失效件失效模式的初步判断基本上是宏观的、非破坏性的。(5) 查找失效的原因 在失效模式初步判断的基本上，查找失效原因就有了明确的方向和 范围。一般从如下 几方面入手：1) 肇事件自身的内因；2) 相关失效件的影响；3) 肇事件力学环境、介质环境以及温度环境等分析；4) 其他异常因素(如辐射、雷击、静电、误操作、人为破坏等) 。失效件上最具有某一失效特征或者失效最严重的部位，如磨损最重处、断裂源、腐蚀 最深 处、热变形所示最高温度区、变形最严重处等，是查找失效原因最关键的部位。第二个关键部位是失效件上失效区与尚未失效区的交界或者两种模式的交界处。 查找失效 的原因是失效分析中难度最大、工作量最多的阶段，这时涉及的工作包括：1) 破坏性取样分析；2) 各种宏微观分析；3) 非标准的测试、检验。为证实或排除某些可能的失效原因，应精心地设计检验和试验方案。一般采用以下原 则：1) 先易后难；2) 由表及里；3) 由低倍到高倍；4) 按形貌一成分一性能一结构的顺序开展分析工作。在查找失效原因的过程中要牢 记如下几点：1) 分析思路和分析工作要紧紧围绕已确定的失效模式所涉及的机理、原因和影响因 素开 展分析工作；2) 要十分关注是否存在异常现象和异常因素，因为这些异常现象和异常因素可能预 示着 某种失效原因；3）同一个肇事失效件上，可能同时或先后存在两种或两种以上失效模式，这时要分 别加 以分析，并判断这两种失效过程是否相关，对最终的失效有什么影响；4）回过头来看看这一关键阶段所做的大量测试和微观分析工作，能否最终肯定前期判 断 的失效模式。5）查找失效原因是失效分析中最重要的一个阶段，是一个不断寻求证据、不断推理、 不 断否定和逐渐肯定等不断反复、迭代和反馈的过程。（6）综合性的分析 在前述五个方面工作的基础上，需对整个失效分析工作进行综合性的 分析，即系统性 的分析。（7）失效分析报告 失效分析报告包含对失效事件的客观描述、失效特征及其分析过程和 主要结果、失效 模式的确认、失效原因的分析、主要分析结论以及预防失效的建议，包括 尚需继续进行的 模拟或者研究工作。1.3失效分析基本思路失效分析基本思路可从“问、望、闻、切、摸、结、回”七个方面进行，对于紧固件 而 言，根据紧固件的结构特点和使用条件的不同，失效分析的具体思路和方法也各不相同， 但是 基本的分析步骤是一致的。当然，对于某些较为简单的情况也可简化而不必逐条照搬。一、“问” 调查1、现场调查 现场调查所得是认识失效分析对象的第一手资料 , 是获得失效证据的第一个 手段 , 也 是逻辑推理的基础前提。 现场调查是否真实、 全面、及时 , 是决定该项失效分析 成败的首要 问题。为要查实，首要应注意必要的现场、零件的保护，以备调查失效瞬间的现场实况以及 追踪 线索。（ 1） 故障发生的时间、地点、失效经过和发生时间的顺序记录；（ 2） 故障件碎片与主体相对位置的分布、绘制草图或（和）照相；（ 3） 部件的畸变程度和损失情况，绘制草图或（和）照相；（ 4） 目击者证词，询问工厂有关人员或其他能提供有用信息的人员； 为实验室工作做 准备，考虑选取试样的部件或方法。2、搜集失效部件的背景资料（ 1） 监视设备的记录和运转日记；2）主系统和要害部件的服役史： 设备记录、运转条件； 维护、调整和修理情况记录； 经销单位售出记录或排除故障报告3、工程设计的背景资料1）系统说明书；2）系统或部件的功能；3）装配程序说明书；4）维护程序；5）设计说明书；6）设计图（蓝图）；7）制造程序和质量控制程序及其水 平；8）工程设计的分析和报告；9）质量检验报告；10)有关规范和标准。4、操作人员的因素1）人与机器的相互作用等。2） 人的效能 身体疲劳情况，等。一、 “望” 观察1、失效系统或部件的宏观检验；2、必须拆卸时应提供记录（包括照相）文件；3、针对设计图纸核对尺寸；4、可用小于 50 倍的放大镜进行检查；5、全部试样（金相的和力学试验的）选定、标号、切取、保存和（或）清洗；6、断口的宏观和合微观观察（多用体视显微镜或（和）扫描电镜） ；7、对断口附近和非损坏区的金相组织做对比观察。二、“闻” 检测1、无损检测，常用的包括渗透检测、涡流检测、 X 射线检测、超声检测以及磁粉检测等。应用各类无损检测方法是应注意各类检测的优缺点、适用范围等。2、化学成分分析：（ 1） 常规的 湿法、光谱分析；（ 2） 局部或微区的 辉光光谱电子探针（电子能谱） ；（ 3） 表面或界面的 俄歇能谱3、组织结构分析，包括采用光学金相、X-射线衍射分析以及透射电子显微分析等。三、“切” 测试1、常规力学性能测试（包括硬度测量） ；2、断裂性能测试，包括断裂韧度、裂纹扩展速率等；3、应力强度 寿命分析；4、可检测性分析 质量控制分析。四、“摸” 模拟试验1、失效的概率分析；2、失效机理的确定；3、模拟服役条件下的试验。五、“结” 结论1、对所取得的信息、数据做分析与评价（ 1） 考虑信息和数据的可靠性；（ 2） 对提出的失效原因达到“两个一致”即与失效事实一致，与工程和物理原理 致（ 3） 对假说的描述要证明是正确的；（ 4） 对工程模型的描述要证明是正确；（ 5） 解释判断的数据。2、结论的根据要充分、可靠3、写出有建议的报告1）2）建议的现实 一一考虑费用和可行 性性；解释并证明建议的正确性。“回”回访1、检查失效分析的正确性和效果2、促进建议的贯彻执行。1.4紧固件失效分析基本方法紧固件失效的基本类型主要有：过载失效、疲劳失效、氢脆失效、应力腐蚀失效、微 动磨损失效等。不管是那种失效类型，采用的失效分析方法均主要包括宏观形貌分析、电 子显微分析、金相分析、化学成分分析、无损检测、力学性能测试等。分析的内容涉及到裂纹与断口的形貌，损伤区域及其附近的损伤痕迹、特征及其表面 完整性，材料组织、成分、性能及其缺陷的类别、尺寸以及大小等等。1.4.1 宏观形貌分析用目视、放大镜和体视显微镜对失效零件进行直接观察与分析的方法，称为宏观分析 法。 其放大倍数通常规定在 50 倍以下。宏观分析首先是目视观察。目视检查有最好的综合性能：特别大的景深和视野，对颜 色、腐蚀、断裂纹理走向有十分敏锐的分析能力，能判断距离远近和尺寸大小，能同时看 清光 亮程度相差不大的物件等。目视对判定裂纹的萌生位置、裂纹扩展途径、结晶断口或 纤维状断 口、二次裂纹，以及有无过载产生的剪切唇等等，都能迅速而准确地识别出来。 目视对部件运 转的情况，对原有设计和加工质量也能做出总的评价。宏观分析除目视观察 外，还可用放大 镜、体视显微镜进行观察和分析。宏观分析法的优点是：简便、迅速，试样尺寸不受限制，不必破坏失效零件，观察范 围 大，能够观察与分析裂纹（断裂）和零件形状的关系、断口与变形的关系、断口与受力 状态的 关系，能够初步判断裂纹源位置、失效性质与原因。因此，宏观分析法是金属机械 构件失效分 析中最方便、最常用、最重要和不可缺少的步骤与方法。它是整个金属机械构 件失效分析的基 础。宏观分析法的缺点是：从宏观分析很难获得失效件细微结构的信息，只能从较宏观的 角度 上判断失效性质及原因，而且需要较丰富的经验。因此，单从宏观分析来判断失效性 质及原因 会不完全可靠。宏观分析法只是一种最初步、最基本的失效分析和研究方法。 1.4.2 电子显微 镜分析 扫描电镜分析扫描电子显微镜简称扫描电镜。它利用聚焦得非常细的高能电子束在试样上扫描，激 发出 各种物理信息。通过对这些信息的接收、放大和显示成像，以便对试样表面进行分析， 扫描电 子显微镜的原理图如图 1-2 所示。图 1-2 扫描电子显微镜工作原理扫描电镜有很大的景深，对粗糙的表面，例如凹凸不平的金属断口显示得很清楚，立体感很强，如图 1-3。扫描电镜是研究固体试样表面形貌的有力工具。镜日扌田目前较好的商品扫描电镜的分辨率一般为 6nm ，最好的已达 2nm ，实验室研制的扫描 电镜已达到 0.5nm 的水平。其放大倍数在 2020 万倍之间，这样宽的放大倍数范围对试样 的观察研究非常方便。扫田电镜的试样制备简单，有的试样可以不经制作直接放入电镜内观察。因而，更接 近物 质的自然状态，并能迅速地得到结果。而且由于放大倍数可从几十倍连续调到十几万 倍，观察 可从宏观到微观。移动试样就可以寻找裂纹的起源，观察裂纹的扩展和最后断裂 的全貌，这是 复型法在透射电镜中很难办到的。扫田电镜可配备不同的附件，可对试样表面进行微区成分分析。可以用来进行微区成 分分 析的讯号：俄歇电子、 X 射线和背散射电子。这些讯号的能量或强度均和物质的原子 序数有 关。例如：对于不同的元素，都有不同的特征 X 射线谱和特征俄歇电子能谱；另外， 对于不 同的相成分区域，由于背散射电子的产额不同，相应产生成分的衬度效应。因此， 利用从试样 表面被高能电子探针束所激发出的俄歇电子能谱， X 射线特征谱 （光谱或能谱） 或由于背散 射电子所表现的成分衬度效应，进行测量和分析，就可以确定合金中元素含量 或相成分，如图 1-4。与此相应有四种分析方法：1）俄歇电子能谱分析法；2）X 射线光谱分析法；3）X 射线能谱分析法；4）背散射电子的成分衬度效应分析法。（ a）（ b）图1-4微区成分分析（a）试样表面颗粒（b）能谱分析结果谱图扫描电镜的微区成分分析的精确度，虽然受到断口表面粗糙度的影响而只能得到定性 或半 定量的数据，但在断裂分析中用于鉴定裂纹源处可能存在的非金属夹杂物、分析腐蚀 产物或氧 化膜等仍能满足要求。一般分析仪能够探测到的含量下限为 0.1wt% 左右。 透射电镜分析透射电镜比扫描电镜分辨率高，用透射电镜观察一次复型时分辨率可达23nm,观察 二次 复型时分辨率可达 10nm 。所以，在相同倍率下，透射电镜观察二次复型样品时的图像 比扫描 电镜的二次电子像更清晰、明锐。因此，在断裂分析中透射电镜也是重要的工具之 一。透射电镜的主要功能是：（ 1）识别物体微观结构的细节； （2）进行物体（样品）的形貌像与衍射像的转换。在 透射电镜中，通过改变中间镜的电流值，可以很方便地把样品的形貌像转变为电子衍射像。 通 过形貌像，人们可以观察到微观客体的形状、大小及分布。当把同一微观客体的形貌像 转换为 它的衍射像之后，进行电子衍射分析，可以确定该微观客体的晶体结构，并进而确 定该微观客 体（如非金属夹杂物或析出相）的类别。这样，便可以从两个不同的侧面对同 一微观客体进行 深入的了解。这是透射电镜最主要的功能和优点。透射电镜在失效分析中的应用，主要有以下两个方面：a）失效形貌观察 金属显微组织的观察：前已指出，用金相显微镜观察金属的显微组织时， 有许多细节分辨不清。但如果通过透射电镜，就可以使人们清晰地观察到金相显微镜无法辨别的 显微 组织、第二相等的微细结构。其它失效形态的观察：许多失效事例表明，透射电镜已经成功地应用于磨损和腐蚀等 失效 形式的分析研究中，通过揭示这些失效的形貌特征，可以使人们正确地找到失效的形 成机制和 原因。b）非金属夹杂物及析出物的物相结构分析 透射电镜是目前惟一能够对非金属夹杂物或析出物等微小晶体进行微区结构分析的一 种仪器设备。 这种物相结构分析， 就是所谓的选区电子衍射技术， 图 1-5 示出了采用透射电 镜 进行相结构分析的例子。图 1-5 6.5%AlNi但由于透射电镜试样制备较为繁琐，目前在工程失效分析中大部分采用扫描电镜进行。 1.4.3 金相分析金相分析是失效分析中最常用的一种实验观测技术。它能提供有关金属材料的基体组 织、 晶粒度、第二相等参数的定性或定量的观测结果，也能提供关于各种材料缺陷的信息。金相分析是用光学显微镜观察和研究金属材料显微组织结构的检测技术。光学显微镜 是一 种最基本的形貌观察仪器，一般由照明系统、成像系统（包括目镜、物镜及聚光镜等） 和机械 系统三部分组成，其极限分辨能力为0.2 um,有效放大倍数为1500倍。在光学显微 镜上利用可见光的反射，观察金相组织及冶金缺陷，借此来研究金属及其合金中各种相的 大小、分布、数量及形态。虽然光学金相技术在失效分析中占有重要地位，是一种普遍采用、不可缺少的实验观 测方 法，但它也存在一些局限性。这些局限性，主要同金相显微镜的景深小、分辨率不太 高等特点 有关，从而导致金相显微镜不适用于做高倍断口观察。因此，在失效分析中，应 该尽可能地把 光学金相技术同其它实验观测技术结合起来，使各种实验方法相辅相成，扬 长避短。1.4.4 化学成分分析在失效分析中，常常需要对失效零件的材料成分、外来物（如溅射附着物） 、表面沉积 物、腐蚀产物及氧化物等进行定性或定量分析，以便为最终的失效分析结论提供依据。失效件的化学成分分析技术包括常规分析技术、表面及微区分析技术。 由于工厂、仓库或车间混料的情况时有发生，造成零件化学成分不合格，从而导致零 件失 效。为此，需对失效件作常规化学分析，以便确定化学成分是否符合技术要求。1）常规分析技术该方法主要用于分析失效零件名义或宏观区域的材料成分，其主要方法有 :湿法化学分析可准确分析含量较大的金属、阴离子的有无及其浓度；半定量发射光谱 和原子吸收光谱用于分析合金成分； . 燃烧法用于测定金属中的碳、硫、氢、氮、氧的含量； 点滴法可简单地定性分析金属中的合金元素、沉淀物、腐蚀产物、土壤等；红外、紫 外光谱检测有机物质。2）表面及微区分析技术 在失效分析中，相对于名义或宏观区域的成分分析而言，失效零 件的材料的表面成分 及失效源区的微区成分分析更为重要，尤其是对表面损伤或者由于诸 如夹杂、成分偏析等 造成的失效。目前主要的分析仪器有 :俄歇电子谱仪、离子探针、电 子探针、 X 射线能谱仪、 X 射线波长谱仪等。在扫描电镜上可装配俄歇电子谱仪、 X 射 线能谱仪、 X 射线波谱仪等， 以满足微区成分分析的需要。俄歇电子谱仪：可分析 5 个原子层以内厚度的极薄表层上除氢、氮以外的所有元素， 因 而可弥补电子探针分析不能检测超轻元素的不足。俄歇电子谱仪分析的直径为150umo方法是逐渐剥层，因而会破坏样品表面的结构状态。离子探针：可分析元素周期表上的所有元素，且所分析的元素可低达100X 10-6。离子探针分析亦属剥层分析，对原始表面有损伤作用，因而对同一表层不能作重复分析。电子探针：它靠光学成象进行定位，广泛应用于平坦表面微区（05 um）成分定性或定量分析。 利用电子探针可给出所分析元素的线分布、 面分布 （见图 1-6）和定点区域的元素含量。 所分析的元素从铍到铀，分析的元素含量可低达0.1%左右。电子探针对表面无损伤作用， 但缺点是无法分析粗糙的断面。X 射线波谱仪： X 射线的波长决定于被激发物质的原子序数，该仪器即是利用探测 X 射 线的特征波长来进行成分分析。波长色散谱仪可分析到铍。一般说来，波谱仪的波长分辨率很高，这是它的突出优点。但是为了达到谱仪的精确 聚 焦，要求样品上 X 射线的发射源 （分析点 ）的几何位置严格地处于聚焦圆上 ;同时波谱仪难 以在低速流和低激发强度的情况下使用，这是波谱仪的两个主要缺点。X 射线能谱仪： X 射线能谱仪的最大优点是不损伤表面以及可同时适用于粗糙的断口 表 面和磨片表面的元素分析，因而是目前失效分析中最 常用的微区成分分析仪器。 X 射线 能谱 仪是利用测量特征 X 射线 能量来确定样品中元素的方法。1.4.5 力学性能测试 对零部件的失效分析几乎都应当测定材料的力学性能。硬度测试简便易行，对失效分 析常 常是最有用的手段之一。所得数据可用来：（1）判断热处理是否合乎要求； （ 2）初步判断金属材料特别是钢材的抗拉强度； （ 3）检验由于过热、脱碳、渗碳、渗氮和加工硬化 等 所引起的软化或硬化。除了对拉伸、冲击性能与技术要求进行比较以外，有时还需做一些比使用温度稍高或 稍低 的力学性能测试，以便对零部件在服役中是否有超温现象做出判断。必要时还需要确 定与损伤 机理有关的其它性能，如断裂韧度、疲劳强度、持久强度或应力腐蚀开裂倾向等。 1.4.6 无损 检测在检查失效件的同批服役件、库存件时，常需进行无损检测，以防止同类事故的发生。 若能查出第二件、第三件，则更有利于失效性质及失效原因的分析判断。有时也需要对失 效件进 行无损检测，判断是否存在未发现的裂纹或缺陷等。目前，无损检测的方法已有十多种。根据无损检测的物理原理大致可分为：射线检测、 磁 粉检测、涡流检测、超声检测、渗透检测。1、射线检测X 射线检测：利用金属基体与缺陷处对 X 射线的吸收与散射效应不同，即可根据感光 片 黑度的变化来判断缺陷的性质、大小、数量和位置。主要适用于检查厚度小于130mm （有 的 可达 500mm ）构件的内部裂纹及缺陷。Y射线检测：Y射线是衰变者的同位素释放出的一种波长介于X射线和高能X射线之 间 的电磁波。 其检验原理与 X 射线检验相同。 多用于检测 30250mm 厚钢材内部裂纹及缺 陷。2、磁粉检测 磁粉检测技术的原理是：通过磁粉在缺陷附近漏磁场中的堆积来检验铁磁材 料表面或 近表面处的缺陷。检测时，将被测材料置于强磁场中或通以大电流使之磁化，当其表 面有 缺陷时，磁力线通过的阻力增大，并在缺陷附近产生漏磁，将放在材料表面的磁性吸住， 堆积形成可见的磁粉痕迹，从而把缺陷显示出来。根据这种磁粉的图像，就可以判断构件 表面 缺陷的存在、数量、形状、大小及分布。磁粉检测适用于探测铁磁性材料表面与次表面的裂纹等缺陷。3、涡流检测 涡流检测是以电磁感应效应为基本原理的一种无损检测技术。即利用金属材 料在交变磁场中感应涡流的变化来判定材料的缺陷和物理特性。检测时有交流电的线圈置于被测金 属板 上或套在被测金属管外，线圈内及其附近产生交变磁场，使被测物产生涡流，涡流的 分布和大 小与金属的物理量及表面有无缺陷有关。用以探测线圈测量涡流所引起的磁场变 化，可推知被 测物中涡流的大小和相应变化，从而获得有关缺陷、材质状况和其它物理量 的信息。涡流检测适用于探测几何形状规则的线、棒、管材和板材中的裂纹等缺陷。4、超声检测 超声检测是利用材料自身及其缺陷的声学特性对超声波传播的影响，检测材 料的缺陷 或某些物理特性。其简单原理是：由超声发生器发出的超声波，通过由水晶、钛酸钡 等压 电元件构成的换能器（即超声波探头） ，以纵波、横波、表面波或板波中任何一种形式放 射 到被检物中，并在其中传播。如果在传播过程中遇到缺陷，将有部分超声波被缺陷反射回 来（这就是通常所说的回波）并被探头接收。超声检测就是根据回波的返回时间和强度， 来判断 缺陷在零部件中的深度及相对大小。超声检测可检查厚度为 10m 的钢材的内部裂纹及其它缺陷，也可检测表面裂纹。5、渗透检测渗透检测是将渗透剂施加到构件表面，由于毛细现象，渗透剂将渗入存在不 连续性的组织结构内，清除附着在构件表面上的多余渗透剂，经干燥、显像后在黑光或白光下，在有不连续性处会发出黄绿色的荧光或呈现红色，通过目视观察就能发现试件的不连续 性。渗透检测有以下两种类型： （ 1）荧光检测。它是利用荧光液渗入裂纹内、并在紫外线 照射下能显示颜色的特性判断表面裂纹情况。 （ 2）着色检测。利用有色的渗透液渗入裂纹 内 可不用紫外线照射即判断表面裂纹情况的方法。能够用渗透法进行检测的构件种类极多，仅就钢铁材料制造的构件而言，就包括焊接 件、 大型锻件、大型及小型铸件等。1.4.7 残余应力测试金属构件经受各种冷热加工（切削、磨削、装配、冷拔、热处理等）之 后，其内部都 存在一定的残余应力。而残余应力的存在对材料的疲劳、耐腐蚀、尺寸稳定性都 有很大的影响，机械产品因为残余应力的存在导致的早期失效案例非常多。因此，在紧固件的 失效 分析中，必要时需对失效件的残余应力进行测定。残余应力的测定方法很多，如电阻应变法、光弹性覆膜法、 X 射线应力测定法及声学目前实际上得到广泛应用的还是 X 射线应力测定法。该方法有以下优点： （ 1）不损坏 构件；（2） X射线照射被测构件的截面可小到1mm直径，因而它能够研究特定小区域的局 部应力和突变的应力梯度。而其它测定法所测的大都是较大区域的应力平均值。用 X 射线应 力测定法不仅可测定构件表面某一部位的宏观残余应力，而且可用剥层方法测定沿层深 分布的 应力。X 射线应力测定法的主要缺点是对形状复杂的构件（造成 X 射线入射、反射困难，如 较 深的内孔壁等）测定准确度不高或不能测试。参考文献1. 张栋，钟培道，陶春虎等 . 失效分析 M. 北京 :国防工业出版社 , 2004.2. 陶春虎， 何玉怀，刘新灵 . 失效分析新技术 M. 北京:国防工业出版社 , 2011.3. 杨春晟，曲士昱 . 理化检测技术进展 M. 北京 :国防工业出版社 , 2012.4. 史亦韦，何方成，梁菁 . 无损检测技术进展 M. 北京:国防工业出版社 , 2012.5. 陶春虎， 刘新灵，刘昌奎 . 失效分析中的证据和逻辑推理 . 失效分析与预防 J.2010, 5（2）:124-128.6. 胡世炎. 破断故障金相分析 M. 北京:国防工业出版社 ,1979.7. 刘高航工程材料的失效及失效分析 J 失效分析与预防，2006,1 (1)8. 张栋 . 机械失效的痕迹分析 M. 北京：国防工业出版社， 19969. 约贤，王长利 . 金属断口分析 M. 哈尔滨：哈尔滨工业大学出版社， 198810. 张栋，钟培道，陶春虎 . 机械失效的实用分析 M. 北京：国防工业出版社， 199711. 何德芳，李力，虞和济 . 失效分析与故障预防 M. 北京：冶金工业出版社， 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