失效分析定义

对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。

金属材料的失效形式及失效原因密切相关，失效形式是材料失效过程的表观特征，可以通过适当的方式进行观察。而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，需要通过失效过程调研研究及对失效件的宏观、微观分析来诊断和论证。

失效分类

材料在各种工程应用中的失效模式主要由断裂、腐蚀、磨损和变形等，其中断裂失效的危害性最大。

1 弹性变形失效

当应力或温度引起材料可恢复的弹性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效。

2 塑性变形失效

当受载荷的材料产生不可恢复的塑性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。

3 韧性断裂失效

材料在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效。

4 脆性断裂失效

材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效。

5 疲劳断裂失效

材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。

6 腐蚀失效

腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应，使材料发生损坏或变质的现象，材料发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀遍及材料表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀，局部腐蚀又分为点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。

7 磨损失效

当材料表现相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损。由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损有多种形式，其中常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。

失效原因分析

设计不合理

其中结构或形状不合理，材料存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区，未能恰当设计引起的失效比较常见。总之，设计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小(追求轻巧和高速度)及配合不合适等都会导致构件及装备失效。构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理。

分析设计原因引起的失效尤其要注意：对复杂构件未作可靠的应力计算；或对构件在服役中所承受的非正常工作载荷的类型及大小未作考虑；甚至于对工作载荷确定和应力分析准确的构件来说，如果只考虑拉伸强度和屈服强度数据的静载荷能力，而忽视了脆性断裂、低循环疲劳、应力腐蚀及腐蚀疲劳等机理可能引起的失效，都会在设计上造成严重的错误。

选材不当及材料缺陷

金属装备及构件的材料选择要遵循使用性原则、加工工艺性能原则及经济性原则，首先要考虑遵循使用性原则。使在特定环境中的构件，对可预见的失效形式要为其选择足够的抵抗失效的能力。如对韧性材料可能产生的屈服变形或断裂，应该选择足够的拉伸强度和屈服强度；但对可能产生的脆性断裂、疲劳及应力腐蚀开裂的环境条件，高强度的材料往往适得其反。在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前题下，经济性也是必须考虑。

制造工艺不合理

金属装备及其构件往往要经过机加工（车、铣、刨、磨、钻等）、热冷变形（冲、压、卷、弯等）、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制订不合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹；在焊接时可能产生的焊缝表面缺陷(咬边、焊缝凹陷、焊缝过高)、焊接裂纹、焊缝内部缺陷(未焊透、气孔、夹渣)，焊接的热影响区更因在焊接过程经受的温度不同，使其发生组织转变不同，有可能产生组织脆化和裂纹等缺陷；组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备早期失效。

使用操作不当和维修不当

使用操作不当时金属装备失效的重要原因之一，如违章操作，超载、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为。某时期统计260 次压力容器和锅炉事故中，操作事故194 次，占74.5% 。装备是要进行定期维修和保养的，如对装备的检查、检修和更换不及时或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装备早期失效。

引起失效的常见缺陷

铸态金属常见的组织缺陷有缩孔、疏松、偏析、内裂纹、气泡和白点等。

缩孔

金属在冷凝过程中由于体积的收缩而在铸锭或铸件心部形成管状（或喇叭状）或分散的孔洞，称为缩孔。缩孔的相对体积与与液态金属的温度、冷却条件以及铸件的大小等有关。液态金属的温度越高，则液体与固体之间的体积差越大，而缩孔的体积也越大。向薄壁铸型中浇注金属时，型壁越薄、则受热越快，液态金属越不易冷却，在刚浇完铸型时，液态金属的体积也越大，金属冷凝后的缩孔也就越大。

疏松

在急速冷却的条件下浇注金属，可避免在铸锭上部形成集中缩孔，但此时液体金属与固态金属之间的体积差仍保持一定的数值，虽然在表面上似乎已经消除了大的缩孔，可是有许多细小缩孔即疏松，分布在金属的整个体积中。

钢材在锻造和轧制过程中，疏松情况可得到很大程度的改善，但若由于原钢锭的疏松较为严重、压缩比不足等原因，则在热加工后较严重的疏松仍会存在。此外，当原钢锭中存在着较多的气泡，而在热轧过程中焊合不良，或沸腾钢中的气泡分布不良，以致影响焊合，亦可能形成疏松。

疏松的存在具有较大的危害性，主要有以下几种：

（1）在铸件中，由于疏松的存在，显著降低其力学性能，可能使其在使用过程中成为疲劳源而发生断裂。在用作液体容器或管道的铸件中，有时会存在基本上相互连接的疏松，以致不能通过水压试验，或在使用过程中发生渗漏现象；

（2）钢材中如存在疏松，亦会降低其力学性能，但因在热加工过程中一般能减少或消除疏松，故疏松对钢材性能的影响比铸件的小；

（3）金属中存在较严重的疏松，对机械加工后的表面粗糙度有一定的影响。

偏析

金属在冷凝过程中，由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象称为偏析。偏析分为晶内偏析、晶间偏析、区域偏析、比重偏析。

由于扩散不足，在凝固后的金属中，便存在晶体范围内的成分不均匀现象，即晶内偏析。基于同一原因，在固溶体金属中，后凝固的晶体与先凝固的晶体成分也会不同，即晶间偏析。碳化物偏析是一种晶间偏析。

在浇注铸键(或铸件)时，由于通过铸型壁强烈的定向散热，在进行着凝固的合金内便形成一个较大的温差。结果就必然导致外层区域富集高熔点组元，而心部则富集低熔点组元，同时也富集着凝固时析出的非金属杂质和气体等。这种偏析称为区域偏析。

在金属冷凝过程中，如果析出的晶体与余下的溶液两者密度不同时，这些晶体便倾向于在溶液中下沉或上浮，所形成的化学成分不均匀现象，称为比重偏析。晶体与余下的溶液之间的密度差越大，比重偏析越大。这种密度差取决于金属组元的密度差，以及晶体与溶液之间的成分差。如果冷却越缓慢，随着温度降低初生晶体数量的增加越缓慢，则晶体在溶液中能自由浮沉的温度范围越大，因而比重偏析也越强烈。

气泡

金属在熔融状态时能溶解大量的气体，在冷凝过程中因溶解度随温度的降低而急剧减小，致使气体从液态金属中释放出来。若此时金属已完全凝固，则剩下的气体不易逸出，有一部分就包容在还处于塑性状态的金属中，于是形成气孔，则称其为气泡。

气泡的有害影响表现如下：

（1）气泡减少金属铸件的有效截面，由于其缺口效应，大大降低了材料的强度；

（2）当铸锭表面存在着气泡时，在热锻加热时可能被氧化，在随后的锻压过程中不能焊合而形成细纹或裂缝；

（3）在沸腾钢及某些合金中，由于气泡的存在还可能产生偏析导致裂缝。

白点

在经侵蚀后的横向截面上，呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝；而在纵向断面上会发现表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点，这种缺陷称为白点。

白点最容易产生在镍、铬、锰作为合金元素的合金结构钢及低合金工具钢中。

奥氏体钢及莱氏体钢中，从未发现过白点；铸钢中也可能发现白点，但极为罕见；焊接工件的熔焊金属中偶尔也会产生白点。白点的产生与钢材的尺寸也有一定的关系，横截面的直径或厚度小于30mm的钢材不易产生白点。

通常具有白点的钢材纵向抗拉强度与弹性极限降低并不多，但伸长率则显著降低，尤其是断面收缩率与冲击韧性降低得更多，有时可能接近于零。且这种钢材的横向力学性能比纵向力学性能降低得多。因此具有白点的钢材一般不能使用。

引起失效的常见缺陷

金属锻造及轧制件缺陷：

粗大的魏氏体组织

在热轧或停锻温度较高时，由于奥氏体晶粒粗大，，在随后冷却时的先析出物沿晶界析出，并以一定方向向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度。这种形貌称为魏氏体组织。先析出物与钢的成分有关，亚共析钢为铁素体，过共析钢为渗碳体。魏氏体组织因其组织粗大而使材料脆性增加，强度下降。比较重要的工件不允许魏氏体组织存在。

网状碳化物及带状组织

对于工具钢，锻造和轧制的目的不但是使毛坯成型，更重要的是使其内部的碳化物碎化和分布均匀。

钢材表层脱碳

钢加热时，金属表层的碳原子烧损，使金属表层碳成分低于内层，这种现场称为脱碳，降低碳量后的表面层叫做脱碳层。脱碳层的硬度、强度较低，受力时易开裂而成为裂源。大多数零件，特别是要求强度高、受弯曲力作用的零件，要避免脱碳层。因此锻、轧的钢件随后应安排去除脱碳层的切削加工。

折叠

折叠通常是由于材料表面在前一道锻、轧中所产生的尖角或耳子，在随后的锻、轧时压入金属本身而形成。钢材表面的折叠，可采用机械加工的方法进行去除。

划痕

在生产、运输等过程中，钢材表面受到机械刮伤形成的沟痕，称为划痕，也叫刮伤或擦伤。划痕缺陷的存在，能降低金属的强度；对薄钢板，除降低强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其在压制时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。对于压力容器来说，表面是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程中发生事故的起点。

斑疤

金属锭及型材的表面由于处理不当，往往会造成粗糙不平的凹坑。这些凹坑是不深的，一般只有2~3mm。因其形状不规则，且大小不一，故称这种粗糙不平的凹坑为结疤，也称为斑疤。

若结疤存在于板材上，尤其是主薄板上，则不仅能成为板材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。此外，在制造弹簧等零件用的钢材上，是不允许存在结疤缺陷的。因为结疤容易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿命和安全性。

表面裂纹

钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢中硫高锰低引起热脆，或因铜含量过高、钢中非金属夹杂物过多所致。

分层

由于非金属夹杂、未焊合的内裂纹、残余缩孔、气孔等原因，使剪切后的钢材断面呈黑线或黑带，将钢材分离成两层或多层的现象，称为分层。

引起失效的常见缺陷

夹杂物及其对钢性能的影响：

01 夹杂物的分类

钢在加工变形中，各类夹杂物变形性不同，按其变形能力分为三类：

脆性夹杂物

一般指那些不具有塑性变形能力的简单氧化物（Al2O3、Cr2O3、ZrO等）、双氧化物（如FeO·Al2O3、MgO·Al2O3、CaO·6Al2O3）、碳化（TiC）、氮化物(TiN、Ti(CN)AlN、VN等)和不变形的球状或点状夹杂物（如球状铝酸钙和含SiO2较高的硅酸盐等）。

钢中铝硅钙夹杂物具有较高的熔点和硬度，当压力加工变形量增大时，铝硅钙被压碎并沿着加工方向而呈串链状分布，严重破坏了钢基体均匀的连续性。

塑性夹杂物

这类夹杂物在钢经受加工变形时具有良好的塑性，沿着钢的流变方向延伸成条带状，属于这类的夹杂物含SiO2量较低的铁锰硅酸盐、硫化锰（MnS）、（Fe, Mn）S等。夹杂物与钢基体之间的交界面处结合很好，产生裂纹的倾向性较小。

半塑性变形的夹杂物

一般指各种复合的铝硅酸盐夹杂物，复合夹杂物中的基体，在热加工变形过程中产生塑性变形，但分布在基体中的夹杂物（如CaO·Al2O3、尖晶石型的双氧化物等）不变形，基体夹杂物随着钢基体的变形而延伸，而脆性夹杂物不变形，仍保持原来的几何形状，因此将阻碍邻近的塑性夹杂物自由延伸，而远离脆性夹杂物的部分沿着钢基体的变形方向自由延伸。

02 夹杂物对钢性能的影响

大量试验事实说明夹杂物对钢的强度影响较小，对钢的韧性危害较大，其危害程度又随钢的强度的增高而增加。

夹杂物变形性对钢性能的影响

钢中非金属夹杂物的变形行为与钢基休之间的关系，可用夹杂物与钢基体之间的相对变形量来表示，即夹杂物的变形率v ，夹杂物的变形率可在v=0~1这个范围受化，若变形率低，钢经加工变形后.由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。

夹杂物引起应力集中

夹杂物的热膨胀系数越小，形成的拉应力越大，对钢的危害越大。在高温下加工变形时，夹杂物与钢基体热收缩的差别，使裂纹在交界面处产生。它很可能成为留住基体中潜在的疲劳破坏源。危害性最大的夹杂物是来源于炉渣和耐火材料的外来氧化物。

夹杂物与钢的韧性

超高强度钢和碳钢中MnS夹杂物的含量对强度无明显影响，但可使韧性降低。其中断裂韧性随硫含量增加而降低，具有明显的规律性。

从夹杂物类型比较，硫化物对韧性的影响大于氮化物，在氮化物中ZrN 对韧性的危害较小，夹杂物类型不同而含量相近的情况下，变形成长条状的MnS对断裂韧性影响大于不变形的硫化物(Ti-S，Zr-S) 。

串状或球状硫化物对ψ和AkV均不利，就对短横试样的危害而言，串状比球状危害更严重。

金属材料失效分析

涉及测试：

磨损失效分析

变形失效分析

金属腐蚀失效分析

生锈失效分析

断裂失效分析