1、第一章 失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料記載的是在公元前2025年由巴比倫國王漢莫拉比撰寫的法典中，而真正把失效分析作為仲裁事故的法律手段和提高產(chǎn)品質(zhì)量的技術(shù)手段是應(yīng)用于1862年建立了世界上第一個(gè)鍋爐監(jiān)察局。失效分析走上系統(tǒng)化、綜合化、理論化的新階段是從20世紀(jì)中葉，隨著微電子技術(shù)的異軍突起開始的。1.1失效分析基本概念各類機(jī)電產(chǎn)品的機(jī)械零部件、微電子元件和儀器儀表等以及各種金屬及其他形成的構(gòu)件（工程上習(xí)慣地統(tǒng)稱為零件，以下簡稱零件）都具有一定的功能，承擔(dān)各種各樣的工作任務(wù)，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規(guī)定的動(dòng)作等。當(dāng)這些零件失去了它應(yīng)有的功能時(shí)，則稱該零件發(fā)生了失效。失效分析的信

2、息，客觀上能夠反映機(jī)械失效的起始、發(fā)展、變化和完成的全過程，以及導(dǎo)致這一失效運(yùn)動(dòng)的內(nèi)、外原因和條件等等，通過與失效事件有關(guān)的各種途徑傳出，經(jīng)過失效分析人員運(yùn)用各種必要、可能的調(diào)查、檢驗(yàn)等科學(xué)技術(shù)手段（借助科學(xué)儀器）等接收，產(chǎn)生回溯反饋，在人類已有失效規(guī)律和知識(shí)的基礎(chǔ)上，就能較完整地在認(rèn)識(shí)或?qū)嵺`上再現(xiàn)失效的全過程。失效事件中的信息量，是由每個(gè)具體的失效過程所決定的，而接收這種失效信息多少，則取決于失效分析人員的專業(yè)水平和失效分析的科學(xué)技術(shù)水平。零件失效即失去其原有功能的含義包括三種情況：（1） 零件由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等，從而完全喪失其功能。（2） 零件在外部環(huán)境作用下，部分的失去其原有功

3、能，雖然能夠工作，但不能完成規(guī)定功能，如由于磨損導(dǎo)致尺寸超差等。（3） 零件雖然能夠工作，也能完成規(guī)定功能，但繼續(xù)使用時(shí)，不能確保安全可靠性。如經(jīng)過長期高溫運(yùn)行的壓力容器及其管道，其內(nèi)部組織已經(jīng)發(fā)生變化，當(dāng)達(dá)到一定的運(yùn)行時(shí)間，繼續(xù)使用就存在開裂的可能。國家標(biāo)準(zhǔn)GB3187-82中定義： “失效（故障）產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品，通常也稱為故障。”該定義中涉及到產(chǎn)品、可修復(fù)產(chǎn)品、功能、規(guī)定的功能和喪失等幾個(gè)概念。（1）產(chǎn)品按經(jīng)濟(jì)學(xué)上的定義：企業(yè)進(jìn)行生產(chǎn)活動(dòng)所創(chuàng)造的、符合于原定生產(chǎn)目的和用途的直接生產(chǎn)成果，物質(zhì)產(chǎn)品按其完成程度可分為成品、半成品和在制品。它包括任何元件、器件、設(shè)備或系統(tǒng)，可以

4、表示產(chǎn)品的總體、樣品等?？傊?，其確切含義在使用這一詞時(shí)應(yīng)加以說明，但廢品不能算產(chǎn)品。在可靠性和失效分析領(lǐng)域內(nèi)，如不加說明，產(chǎn)品一般指成品。（2）可修復(fù)產(chǎn)品當(dāng)產(chǎn)品喪失規(guī)定功能時(shí)，按規(guī)定的程序和方法進(jìn)行維修后，可恢復(fù)規(guī)定功能的產(chǎn)品。即故障后可以修復(fù)的產(chǎn)品。一個(gè)產(chǎn)品是否可以修復(fù)，是一個(gè)歷史的相對(duì)的概念，受多方面因素的制約。一看技術(shù)上是否可能；二看經(jīng)濟(jì)上是否值得；三看時(shí)間上是否允許。例如電阻、電容、電子管、日光燈管、鉚釘、墊片等，一般歸于不可修復(fù)產(chǎn)品；而起落架、油泵、機(jī)床等，只要符合規(guī)定的技術(shù)條件，一般屬于可修復(fù)產(chǎn)品，但當(dāng)超過規(guī)定的修理深度時(shí)，又變成不可修復(fù)產(chǎn)品。所有，產(chǎn)品處于“可修狀態(tài)”或“不可修狀

5、態(tài)”。對(duì)一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備或系統(tǒng)來講，其中某些零件失效后是不可修復(fù)的（如輪胎爆破和前面所說的鉚釘和墊片等），但對(duì)系統(tǒng)來說（如飛機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)）卻是可修復(fù)的，只需將這些失效的零件替換。（3）功能功能是指作為產(chǎn)品必須完成的事項(xiàng)，產(chǎn)品的功能和用途。不同產(chǎn)品的功能是五花八門的。（4）規(guī)定的功能規(guī)定的功能是指國家有關(guān)法規(guī)、質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)文件以及合同規(guī)定的對(duì)產(chǎn)品適用、安全和其他特性的要求。它既是產(chǎn)品質(zhì)量的核心，又是產(chǎn)品是否失效的判據(jù)。因此，產(chǎn)品是否失效主要是在使用（包括檢驗(yàn)）過程中考察。一般來說，產(chǎn)品的規(guī)定功能與規(guī)定的條件相對(duì)應(yīng)。還應(yīng)具有常識(shí)上所應(yīng)具備的一些功能，如兒童玩具必須具備在兒童誤操作的情況下不會(huì)對(duì)兒童造

6、成傷害的功能。（5）喪失一般理解為產(chǎn)品原有規(guī)定的功能在商品流通或使用過程中失去（或消失了），也就是說，產(chǎn)品的規(guī)定功能有一個(gè)從有到無、從合格到不合格的過程。喪失，可能是暫時(shí)的、間斷的或永久性的；可能是部分的、全部的；喪失可能快也可能慢；而喪失規(guī)定的功能，經(jīng)過修理后有可能恢復(fù)，也可能無法恢復(fù)。無論上述哪種情況，都在喪失規(guī)定功能之列，即均處于失效狀態(tài)。也可能有這樣的情況，產(chǎn)品一開始就不具備規(guī)定的功能。因此，這里建議采用“不具備”來代替“喪失”。從以上可以看出，失效強(qiáng)調(diào)的是產(chǎn)品所處的功能狀態(tài)，失效產(chǎn)品從某種意義上講也是潛在的不合格產(chǎn)品（雖然出廠時(shí)已經(jīng)貼上了合格的標(biāo)簽），包括在使用初期是合格品而在規(guī)定的

7、有效使用時(shí)間內(nèi)功能失效的產(chǎn)品。而故障強(qiáng)調(diào)的是產(chǎn)品失效以后可以修復(fù)（但不是自然恢復(fù)），或者說，故障是產(chǎn)品處于可修復(fù)的失效狀態(tài)。失效分析是判斷產(chǎn)品的失效模式，查找產(chǎn)品失效機(jī)理和原因，提出預(yù)防再失效的對(duì)策的技術(shù)活動(dòng)和管理活動(dòng)。失效分析的主要工作內(nèi)容包括：（1） 調(diào)查（包括確認(rèn)是否失效、取證、普查等）；（2） 判斷失效模式；（3） 查找失效原因（包括與產(chǎn)品失效相關(guān)的管理因素）；（4） 探討失效機(jī)理及其與失效模式的關(guān)系（過程的因果關(guān)系）；（5） 失效后果（影響和危險(xiǎn)性）分析；（6） 合理制定或修改失效判據(jù)（必要時(shí)才進(jìn)行）；（7） 失效的數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析（必要并有條件時(shí)才進(jìn)行）；（8） 模擬再現(xiàn)和失效預(yù)測(cè)（必

8、要并有條件時(shí)才進(jìn)行）；（9） 明確產(chǎn)品失效責(zé)任（必要時(shí)才進(jìn)行）；（10） 提出防止再失效的對(duì)策（失效分析成果的反饋和響應(yīng)），注意新的失效因子。失效模式是指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律。一般可理解為失效的性質(zhì)和類型。失效模式按其所定義的范圍、屬性、標(biāo)準(zhǔn)和參量，可分為一級(jí)失效模式、二級(jí)失效模式等。模式準(zhǔn)確，就是要將失效的性質(zhì)和類型判斷準(zhǔn)確，尤其是要將一級(jí)失效模式和二級(jí)失效模式判斷準(zhǔn)確。一級(jí)失效模式的分類如圖1-1所示。二級(jí)失效模式分類所依據(jù)的“標(biāo)準(zhǔn)”和“參量”繁雜多樣，其判斷也要比一級(jí)難得多。有興趣的讀者還可參閱有關(guān)的失效分析文獻(xiàn)。 韌性斷裂失效 斷裂失效 脆性斷裂失效 疲勞斷裂失效 失效模式

9、 磨損失效 腐蝕失效 非斷裂失效 變形失效 電接觸失效 熱損傷失效 污染失效圖1-1 一級(jí)失效模式的分類失效機(jī)理是指失效的物理、化學(xué)變化本質(zhì)和微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結(jié)構(gòu)的變化，但與此相對(duì)的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）性能、性質(zhì)變化和聯(lián)系。機(jī)械失效，乃是一種物質(zhì)的運(yùn)動(dòng)，并表現(xiàn)為一定的形態(tài)，故而必然會(huì)和一定的客體物發(fā)生相互作用，這一作用的結(jié)果必然要引起原客體物發(fā)生相互作用，這一作用的結(jié)果必然要引起原客體物結(jié)構(gòu)和能量的變化，改變客體物的形態(tài)，產(chǎn)生一定的反映特征。這種反映特征，就是失效分析中信息源的最主要的物質(zhì)基礎(chǔ)。至于信息量的多少，是由客觀事物本身決定的。失效原因的判斷是整個(gè)失

10、效分析的核心和關(guān)鍵，通常是指釀成失效甚至事故的直接關(guān)鍵性因素。與失效模式一樣，失效原因也可分為一級(jí)失效原因和二級(jí)失效原因等。一級(jí)失效原因的判斷，一般指造成該失效事故的直接關(guān)鍵因素處于設(shè)計(jì)、材料、制造工藝、使用及環(huán)境的那一環(huán)節(jié)，即通常所謂的設(shè)計(jì)是根本，材料是基礎(chǔ)，工藝是關(guān)鍵，使用是保證的某一關(guān)鍵環(huán)節(jié)。失效原因的判斷建立在失效模式判斷的基礎(chǔ)上，當(dāng)一個(gè)失效件的二級(jí)以上失效模式確定以后，一般而言，一級(jí)失效原因基本上就很容易確定了。在一級(jí)失效原因正確的基礎(chǔ)上，探討和分析二級(jí)失效原因。例如設(shè)計(jì)原因引起的失效還可細(xì)分為設(shè)計(jì)思想、結(jié)構(gòu)、對(duì)載荷分析的準(zhǔn)確性、選材等二級(jí)失效原因。同樣，失效原因的確定也分為定量確定

11、和定性確定，在必要時(shí)，還要采用失效模擬技術(shù)來確定失效的原因。然而失效原因的確定是相當(dāng)復(fù)雜的，其復(fù)雜性表現(xiàn)為失效原因具有一些特點(diǎn)，如原因的必要性、多樣性、相關(guān)性、可變性和偶然性。有關(guān)這方面的深入研究可閱讀有關(guān)參考資料。二十世紀(jì)中葉以來，隨著微電子技術(shù)的異軍突起(電子光學(xué)、斷口學(xué)、痕跡學(xué)、表面科學(xué)、電子金相學(xué)等迅猛發(fā)展)，產(chǎn)品失效的物理、化學(xué)過程，已能從微觀方面闡明失效的本質(zhì)、規(guī)律和原因。在此基礎(chǔ)上，失效分析逐步走上了較為系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段，并在國民經(jīng)濟(jì)和技術(shù)進(jìn)步中發(fā)揮著日益重要的作用，已為世人所注目。進(jìn)入本世紀(jì)以來，失效分析進(jìn)入了更加高速發(fā)展的階段，如2004年在葡萄牙里斯本舉辦的第一屆

12、工程失效分析國際會(huì)議，參會(huì)人數(shù)僅有50人左右，而2012年在荷蘭海牙舉辦的第五屆工程失效分析國際會(huì)議，參會(huì)人數(shù)超過250人，設(shè)立三個(gè)分會(huì)場(chǎng)，涉及的領(lǐng)域幾乎遍布各個(gè)行業(yè)部門。在如2005年和2006年，美國和我國目前公開發(fā)行的專業(yè)失效分析雜志JOURNAL OF FAILURE AND PREVENTION和失效分析與預(yù)防分別問世，進(jìn)一步推動(dòng)了失效分析學(xué)科的發(fā)展。1.2失效分析基本程序失效分析過程中往往涉及到有多個(gè)零部件同時(shí)遭到破壞，情況相當(dāng)復(fù)雜。因此，除了要有正確的分析思路外，還需要有一個(gè)合理的失效分析程序。由于產(chǎn)品失效的情況千變?nèi)f化，只能有適應(yīng)于一般情況的失效分析基本程序。大致包括以下幾方面

13、：（1） 調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)失效信息（2） 初步確定肇事失效件（3） 確定具體的分析思路和工作程序（4） 初步判斷肇事失效件的失效模式（5） 查找失效的原因（6） 綜合性的分析（7） 失效分析報(bào)告失效分析基本程序中，每一步驟具體要求如下：（1） 調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)失效信息調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)失效信息是失效分析的第一步，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)失效信息的調(diào)查必須給予高度重視。它是整個(gè)失效分析工作的基礎(chǔ)，也是邏輯推理的必要前提?，F(xiàn)場(chǎng)失效信息調(diào)查是以失效現(xiàn)場(chǎng)為出發(fā)點(diǎn)，全面、系統(tǒng)、客觀、細(xì)致地觀察收集失效對(duì)象、失效現(xiàn)象、失效環(huán)境等現(xiàn)場(chǎng)失效信息以獲取真實(shí)可靠的感官材料，即要強(qiáng)調(diào)現(xiàn)場(chǎng)失效信息的準(zhǔn)確性、全面性、客觀性和系統(tǒng)性，切忌片面性、主觀性以及局限性。

14、（2） 初步確定肇事失效件在尋找肇事失效件過程中，往往情況比較復(fù)雜，要綜合正確掌握邏輯推理，把歸納推理、演繹推理、類比推理、選擇性推理和假設(shè)性推理這幾種常用的邏輯推理方法靈活運(yùn)用。（3） 確定具體的分析思路和工作程序要從設(shè)計(jì)、制造、維修、使用和研究部門調(diào)查了解，歷史上是否發(fā)生過類似失效事件。如果發(fā)生過這種失效先例，并曾作過相應(yīng)的失效分析，建議按類比和邏輯推理相結(jié)合的思路和程序進(jìn)行分析；如果沒有這種失效先例時(shí)，則按邏輯推斷的思路和程序進(jìn)行分析。（4） 初步判斷肇事失效件的失效模式要仔細(xì)觀察和分析肇事失效件的失效信息，例如失效的具體部位、各種痕跡、結(jié)構(gòu)完整性、表面完整性以及各種性能變化等。同時(shí)要觀

15、察相關(guān)失效件上的有關(guān)失效信息以及所處的具體失效小環(huán)境。在此基礎(chǔ)上，對(duì)肇事失效件失效模式的主要類型作出初步判斷。判斷肇事失效件的失效模式，實(shí)際上是一種類別的認(rèn)定工作，它是以客體的種類特征為基礎(chǔ)。同種和同類失效模式是個(gè)集合概念，是把種和類相同的客體物（失效事件）的特征綜合起來，從而據(jù)以判定其失效為這一種或另一類失效模式，這實(shí)際上是一種類比推理。應(yīng)當(dāng)強(qiáng)調(diào)，人們必須先具有關(guān)于各類失效模式的基本概念、主要特征、發(fā)生條件以及主要判據(jù)，否則無法進(jìn)行失效模式的初步判斷。失效模式的初步判斷意味著肇事失效件經(jīng)歷了這一失效模式所內(nèi)涵的失效基本過程以及相關(guān)的必要條件和影響因素。因此，有必要首先就這一失效模式范圍內(nèi)的過

16、程規(guī)律和因果關(guān)系對(duì)已取得的失效信息進(jìn)行加工整理，以判斷是否與這一失效模式所反映的宏觀特征相一致，是否還需獲取那些證據(jù)和信息。肇事失效件失效模式的初步判斷基本上是宏觀的、非破壞性的。（5） 查找失效的原因在失效模式初步判斷的基本上，查找失效原因就有了明確的方向和范圍。一般從如下幾方面入手：1） 肇事件自身的內(nèi)因；2） 相關(guān)失效件的影響；3） 肇事件力學(xué)環(huán)境、介質(zhì)環(huán)境以及溫度環(huán)境等分析；4） 其他異常因素（如輻射、雷擊、靜電、誤操作、人為破壞等）。失效件上最具有某一失效特征或者失效最嚴(yán)重的部位，如磨損最重處、斷裂源、腐蝕最深處、熱變形所示最高溫度區(qū)、變形最嚴(yán)重處等，是查找失效原因最關(guān)鍵的部位。第二

17、個(gè)關(guān)鍵部位是失效件上失效區(qū)與尚未失效區(qū)的交界或者兩種模式的交界處。查找失效的原因是失效分析中難度最大、工作量最多的階段，這時(shí)涉及的工作包括：1） 破壞性取樣分析；2） 各種宏微觀分析；3） 非標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)試、檢驗(yàn)。為證實(shí)或排除某些可能的失效原因，應(yīng)精心地設(shè)計(jì)檢驗(yàn)和試驗(yàn)方案。一般采用以下原則：1） 先易后難；2） 由表及里；3） 由低倍到高倍；4） 按形貌成分性能結(jié)構(gòu)的順序開展分析工作。在查找失效原因的過程中要牢記如下幾點(diǎn)：1） 分析思路和分析工作要緊緊圍繞已確定的失效模式所涉及的機(jī)理、原因和影響因素開展分析工作；2） 要十分關(guān)注是否存在異?，F(xiàn)象和異常因素，因?yàn)檫@些異常現(xiàn)象和異常因素可能預(yù)示著某種失

18、效原因；3） 同一個(gè)肇事失效件上，可能同時(shí)或先后存在兩種或兩種以上失效模式，這時(shí)要分別加以分析，并判斷這兩種失效過程是否相關(guān)，對(duì)最終的失效有什么影響；4）回過頭來看看這一關(guān)鍵階段所做的大量測(cè)試和微觀分析工作，能否最終肯定前期判斷的失效模式。5）查找失效原因是失效分析中最重要的一個(gè)階段，是一個(gè)不斷尋求證據(jù)、不斷推理、不斷否定和逐漸肯定等不斷反復(fù)、迭代和反饋的過程。（6） 綜合性的分析在前述五個(gè)方面工作的基礎(chǔ)上，需對(duì)整個(gè)失效分析工作進(jìn)行綜合性的分析，即系統(tǒng)性的分析。（7） 失效分析報(bào)告失效分析報(bào)告包含對(duì)失效事件的客觀描述、失效特征及其分析過程和主要結(jié)果、失效模式的確認(rèn)、失效原因的分析、主要分析結(jié)論

19、以及預(yù)防失效的建議，包括尚需繼續(xù)進(jìn)行的模擬或者研究工作。1.3失效分析基本思路失效分析基本思路可從“問、望、聞、切、摸、結(jié)、回”七個(gè)方面進(jìn)行，對(duì)于緊固件而言，根據(jù)緊固件的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和使用條件的不同，失效分析的具體思路和方法也各不相同，但是基本的分析步驟是一致的。當(dāng)然，對(duì)于某些較為簡單的情況也可簡化而不必逐條照搬。一、“問”調(diào)查1、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查所得是認(rèn)識(shí)失效分析對(duì)象的第一手資料, 是獲得失效證據(jù)的第一個(gè)手段, 也是邏輯推理的基礎(chǔ)前提?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查是否真實(shí)、全面、及時(shí), 是決定該項(xiàng)失效分析成敗的首要問題。為要查實(shí)，首要應(yīng)注意必要的現(xiàn)場(chǎng)、零件的保護(hù)，以備調(diào)查失效瞬間的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)況以及追蹤線索。（1） 故障

20、發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)、失效經(jīng)過和發(fā)生時(shí)間的順序記錄；（2） 故障件碎片與主體相對(duì)位置的分布、繪制草圖或（和）照相；（3） 部件的畸變程度和損失情況，繪制草圖或（和）照相；（4） 目擊者證詞，詢問工廠有關(guān)人員或其他能提供有用信息的人員；為實(shí)驗(yàn)室工作做準(zhǔn)備，考慮選取試樣的部件或方法。2、搜集失效部件的背景資料（1） 監(jiān)視設(shè)備的記錄和運(yùn)轉(zhuǎn)日記；（2） 主系統(tǒng)和要害部件的服役史： 設(shè)備記錄、運(yùn)轉(zhuǎn)條件； 維護(hù)、調(diào)整和修理情況記錄； 經(jīng)銷單位售出記錄或排除故障報(bào)告。 3、工程設(shè)計(jì)的背景資料（1） 系統(tǒng)說明書；（2） 系統(tǒng)或部件的功能；（3） 裝配程序說明書；（4） 維護(hù)程序；（5） 設(shè)計(jì)說明書；（6） 設(shè)計(jì)圖

21、（藍(lán)圖）；（7） 制造程序和質(zhì)量控制程序及其水平；（8） 工程設(shè)計(jì)的分析和報(bào)告；（9） 質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告；（10） 有關(guān)規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)。 4、操作人員的因素（1） 人與機(jī)器的相互作用等。（2） 人的效能身體疲勞情況，等。一、 “望”觀察1、 失效系統(tǒng)或部件的宏觀檢驗(yàn)；2、 必須拆卸時(shí)應(yīng)提供記錄（包括照相）文件；3、 針對(duì)設(shè)計(jì)圖紙核對(duì)尺寸；4、 可用小于50倍的放大鏡進(jìn)行檢查；5、 全部試樣（金相的和力學(xué)試驗(yàn)的）選定、標(biāo)號(hào)、切取、保存和（或）清洗；6、 斷口的宏觀和合微觀觀察（多用體視顯微鏡或（和）掃描電鏡）；7、 對(duì)斷口附近和非損壞區(qū)的金相組織做對(duì)比觀察。二、 “聞”檢測(cè)1、 無損檢測(cè)，常用的包括滲透

22、檢測(cè)、渦流檢測(cè)、X射線檢測(cè)、超聲檢測(cè)以及磁粉檢測(cè)等。應(yīng)用各類無損檢測(cè)方法是應(yīng)注意各類檢測(cè)的優(yōu)缺點(diǎn)、適用范圍等。2、 化學(xué)成分分析：（1） 常規(guī)的濕法、光譜分析；（2） 局部或微區(qū)的輝光光譜電子探針（電子能譜）；（3） 表面或界面的俄歇能譜3、 組織結(jié)構(gòu)分析，包括采用光學(xué)金相、X-射線衍射分析以及透射電子顯微分析等。三、 “切”測(cè)試1、 常規(guī)力學(xué)性能測(cè)試（包括硬度測(cè)量）；2、 斷裂性能測(cè)試，包括斷裂韌度、裂紋擴(kuò)展速率等；3、 應(yīng)力強(qiáng)度壽命分析；4、 可檢測(cè)性分析質(zhì)量控制分析。四、 “摸”模擬試驗(yàn)1、 失效的概率分析；2、 失效機(jī)理的確定；3、 模擬服役條件下的試驗(yàn)。五、 “結(jié)”結(jié)論1、 對(duì)所取得

23、的信息、數(shù)據(jù)做分析與評(píng)價(jià)（1） 考慮信息和數(shù)據(jù)的可靠性；（2） 對(duì)提出的失效原因達(dá)到“兩個(gè)一致”即與失效事實(shí)一致，與工程和物理原理一致；（3） 對(duì)假說的描述要證明是正確的；（4） 對(duì)工程模型的描述要證明是正確；（5） 解釋判斷的數(shù)據(jù)。2、 結(jié)論的根據(jù)要充分、可靠3、 寫出有建議的報(bào)告（1） 建議的現(xiàn)實(shí)性考慮費(fèi)用和可行性；（2） 解釋并證明建議的正確性。六、 “回”回訪1、 檢查失效分析的正確性和效果；2、 促進(jìn)建議的貫徹執(zhí)行。1.4緊固件失效分析基本方法緊固件失效的基本類型主要有：過載失效、疲勞失效、氫脆失效、應(yīng)力腐蝕失效、微動(dòng)磨損失效等。不管是那種失效類型，采用的失效分析方法均主要包括宏觀形

24、貌分析、電子顯微分析、金相分析、化學(xué)成分分析、無損檢測(cè)、力學(xué)性能測(cè)試等。分析的內(nèi)容涉及到裂紋與斷口的形貌，損傷區(qū)域及其附近的損傷痕跡、特征及其表面完整性，材料組織、成分、性能及其缺陷的類別、尺寸以及大小等等。1.4.1 宏觀形貌分析用目視、放大鏡和體視顯微鏡對(duì)失效零件進(jìn)行直接觀察與分析的方法，稱為宏觀分析法。其放大倍數(shù)通常規(guī)定在50倍以下。宏觀分析首先是目視觀察。目視檢查有最好的綜合性能：特別大的景深和視野，對(duì)顏色、腐蝕、斷裂紋理走向有十分敏銳的分析能力，能判斷距離遠(yuǎn)近和尺寸大小，能同時(shí)看清光亮程度相差不大的物件等。目視對(duì)判定裂紋的萌生位置、裂紋擴(kuò)展途徑、結(jié)晶斷口或纖維狀斷口、二次裂紋，以及有

25、無過載產(chǎn)生的剪切唇等等，都能迅速而準(zhǔn)確地識(shí)別出來。目視對(duì)部件運(yùn)轉(zhuǎn)的情況，對(duì)原有設(shè)計(jì)和加工質(zhì)量也能做出總的評(píng)價(jià)。宏觀分析除目視觀察外，還可用放大鏡、體視顯微鏡進(jìn)行觀察和分析。宏觀分析法的優(yōu)點(diǎn)是：簡便、迅速，試樣尺寸不受限制，不必破壞失效零件，觀察范圍大，能夠觀察與分析裂紋（斷裂）和零件形狀的關(guān)系、斷口與變形的關(guān)系、斷口與受力狀態(tài)的關(guān)系，能夠初步判斷裂紋源位置、失效性質(zhì)與原因。因此，宏觀分析法是金屬機(jī)械構(gòu)件失效分析中最方便、最常用、最重要和不可缺少的步驟與方法。它是整個(gè)金屬機(jī)械構(gòu)件失效分析的基礎(chǔ)。宏觀分析法的缺點(diǎn)是：從宏觀分析很難獲得失效件細(xì)微結(jié)構(gòu)的信息，只能從較宏觀的角度上判斷失效性質(zhì)及原因，而

26、且需要較豐富的經(jīng)驗(yàn)。因此，單從宏觀分析來判斷失效性質(zhì)及原因會(huì)不完全可靠。宏觀分析法只是一種最初步、最基本的失效分析和研究方法。1.4.2 電子顯微鏡分析掃描電鏡分析掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡。它利用聚焦得非常細(xì)的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對(duì)這些信息的接收、放大和顯示成像，以便對(duì)試樣表面進(jìn)行分析，掃描電子顯微鏡的原理圖如圖1-2所示。圖1-2 掃描電子顯微鏡工作原理掃描電鏡有很大的景深，對(duì)粗糙的表面，例如凹凸不平的金屬斷口顯示得很清楚，立體感很強(qiáng)，如圖1-3。掃描電鏡是研究固體試樣表面形貌的有力工具。圖1-3 冶金粉末掃描電鏡圖像目前較好的商品掃描電鏡的分辨率一般為6nm，

27、最好的已達(dá)2nm，實(shí)驗(yàn)室研制的掃描電鏡已達(dá)到0.5nm的水平。其放大倍數(shù)在2020萬倍之間，這樣寬的放大倍數(shù)范圍對(duì)試樣的觀察研究非常方便。掃描電鏡的試樣制備簡單，有的試樣可以不經(jīng)制作直接放入電鏡內(nèi)觀察。因而，更接近物質(zhì)的自然狀態(tài)，并能迅速地得到結(jié)果。而且由于放大倍數(shù)可從幾十倍連續(xù)調(diào)到十幾萬倍，觀察可從宏觀到微觀。移動(dòng)試樣就可以尋找裂紋的起源，觀察裂紋的擴(kuò)展和最后斷裂的全貌，這是復(fù)型法在透射電鏡中很難辦到的。掃描電鏡可配備不同的附件，可對(duì)試樣表面進(jìn)行微區(qū)成分分析?？梢杂脕磉M(jìn)行微區(qū)成分分析的訊號(hào)：俄歇電子、X射線和背散射電子。這些訊號(hào)的能量或強(qiáng)度均和物質(zhì)的原子序數(shù)有關(guān)。例如：對(duì)于不同的元素，都有不

28、同的特征X射線譜和特征俄歇電子能譜；另外，對(duì)于不同的相成分區(qū)域，由于背散射電子的產(chǎn)額不同，相應(yīng)產(chǎn)生成分的襯度效應(yīng)。因此，利用從試樣表面被高能電子探針束所激發(fā)出的俄歇電子能譜，X射線特征譜（光譜或能譜），或由于背散射電子所表現(xiàn)的成分襯度效應(yīng)，進(jìn)行測(cè)量和分析，就可以確定合金中元素含量或相成分，如圖1-4。與此相應(yīng)有四種分析方法：（1）俄歇電子能譜分析法； （2）X射線光譜分析法；（3）X射線能譜分析法； （4）背散射電子的成分襯度效應(yīng)分析法。（a） （b）圖1-4 微區(qū)成分分析（a）試樣表面顆粒（b）能譜分析結(jié)果譜圖掃描電鏡的微區(qū)成分分析的精確度，雖然受到斷口表面粗糙度的影響而只能得到定性或半定量

29、的數(shù)據(jù)，但在斷裂分析中用于鑒定裂紋源處可能存在的非金屬夾雜物、分析腐蝕產(chǎn)物或氧化膜等仍能滿足要求。一般分析儀能夠探測(cè)到的含量下限為0.1wt%左右。透射電鏡分析透射電鏡比掃描電鏡分辨率高，用透射電鏡觀察一次復(fù)型時(shí)分辨率可達(dá)23nm，觀察二次復(fù)型時(shí)分辨率可達(dá)10nm。所以，在相同倍率下，透射電鏡觀察二次復(fù)型樣品時(shí)的圖像比掃描電鏡的二次電子像更清晰、明銳。因此，在斷裂分析中透射電鏡也是重要的工具之一。透射電鏡的主要功能是：（1）識(shí)別物體微觀結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)；（2）進(jìn)行物體（樣品）的形貌像與衍射像的轉(zhuǎn)換。在透射電鏡中，通過改變中間鏡的電流值，可以很方便地把樣品的形貌像轉(zhuǎn)變?yōu)殡娮友苌湎?。通過形貌像，人們可以

30、觀察到微觀客體的形狀、大小及分布。當(dāng)把同一微觀客體的形貌像轉(zhuǎn)換為它的衍射像之后，進(jìn)行電子衍射分析，可以確定該微觀客體的晶體結(jié)構(gòu)，并進(jìn)而確定該微觀客體（如非金屬夾雜物或析出相）的類別。這樣，便可以從兩個(gè)不同的側(cè)面對(duì)同一微觀客體進(jìn)行深入的了解。這是透射電鏡最主要的功能和優(yōu)點(diǎn)。透射電鏡在失效分析中的應(yīng)用，主要有以下兩個(gè)方面：a）失效形貌觀察金屬顯微組織的觀察：前已指出，用金相顯微鏡觀察金屬的顯微組織時(shí)，有許多細(xì)節(jié)分辨不清。但如果通過透射電鏡，就可以使人們清晰地觀察到金相顯微鏡無法辨別的顯微組織、第二相等的微細(xì)結(jié)構(gòu)。其它失效形態(tài)的觀察：許多失效事例表明，透射電鏡已經(jīng)成功地應(yīng)用于磨損和腐蝕等失效形式的分

31、析研究中，通過揭示這些失效的形貌特征，可以使人們正確地找到失效的形成機(jī)制和原因。b）非金屬夾雜物及析出物的物相結(jié)構(gòu)分析透射電鏡是目前惟一能夠?qū)Ψ墙饘賷A雜物或析出物等微小晶體進(jìn)行微區(qū)結(jié)構(gòu)分析的一種儀器設(shè)備。這種物相結(jié)構(gòu)分析，就是所謂的選區(qū)電子衍射技術(shù)，圖1-5示出了采用透射電鏡進(jìn)行相結(jié)構(gòu)分析的例子。圖1-5 6.5%Al-Ni基合金中位錯(cuò)組態(tài)但由于透射電鏡試樣制備較為繁瑣，目前在工程失效分析中大部分采用掃描電鏡進(jìn)行。1.4.3 金相分析金相分析是失效分析中最常用的一種實(shí)驗(yàn)觀測(cè)技術(shù)。它能提供有關(guān)金屬材料的基體組織、晶粒度、第二相等參數(shù)的定性或定量的觀測(cè)結(jié)果，也能提供關(guān)于各種材料缺陷的信息。金相分析

32、是用光學(xué)顯微鏡觀察和研究金屬材料顯微組織結(jié)構(gòu)的檢測(cè)技術(shù)。光學(xué)顯微鏡是一種最基本的形貌觀察儀器，一般由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)（包括目鏡、物鏡及聚光鏡等）和機(jī)械系統(tǒng)三部分組成，其極限分辨能力為0.2m，有效放大倍數(shù)為1500倍。在光學(xué)顯微鏡上利用可見光的反射，觀察金相組織及冶金缺陷，借此來研究金屬及其合金中各種相的大小、分布、數(shù)量及形態(tài)。雖然光學(xué)金相技術(shù)在失效分析中占有重要地位，是一種普遍采用、不可缺少的實(shí)驗(yàn)觀測(cè)方法，但它也存在一些局限性。這些局限性，主要同金相顯微鏡的景深小、分辨率不太高等特點(diǎn)有關(guān)，從而導(dǎo)致金相顯微鏡不適用于做高倍斷口觀察。因此，在失效分析中，應(yīng)該盡可能地把光學(xué)金相技術(shù)同其它實(shí)驗(yàn)觀測(cè)

33、技術(shù)結(jié)合起來，使各種實(shí)驗(yàn)方法相輔相成，揚(yáng)長避短。1.4.4 化學(xué)成分分析在失效分析中，常常需要對(duì)失效零件的材料成分、外來物（如濺射附著物）、表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物及氧化物等進(jìn)行定性或定量分析，以便為最終的失效分析結(jié)論提供依據(jù)。失效件的化學(xué)成分分析技術(shù)包括常規(guī)分析技術(shù)、表面及微區(qū)分析技術(shù)。由于工廠、倉庫或車間混料的情況時(shí)有發(fā)生，造成零件化學(xué)成分不合格，從而導(dǎo)致零件失效。為此，需對(duì)失效件作常規(guī)化學(xué)分析，以便確定化學(xué)成分是否符合技術(shù)要求。1）常規(guī)分析技術(shù) 該方法主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分， 其主要方法有: 濕法化學(xué)分析可準(zhǔn)確分析含量較大的金屬、陰離子的有無及其濃度；半定量發(fā)射光譜和原

34、子吸收光譜用于分析合金成分；. 燃燒法用于測(cè)定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；點(diǎn)滴法可簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等；紅外、紫外光譜檢測(cè)有機(jī)物質(zhì)。2）表面及微區(qū)分析技術(shù) 在失效分析中，相對(duì)于名義或宏觀區(qū)域的成分分析而言，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對(duì)表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有:俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、X射線能譜儀、X射線波長譜儀等。在掃描電鏡上可裝配俄歇電子譜儀、X射線能譜儀、X射線波譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。 俄歇電子譜儀：可分析5個(gè)原子層以內(nèi)厚度的極薄表層上除氫、氮以

35、外的所有元素，因而可彌補(bǔ)電子探針分析不能檢測(cè)超輕元素的不足。俄歇電子譜儀分析的直徑為150m。方法是逐漸剝層，因而會(huì)破壞樣品表面的結(jié)構(gòu)狀態(tài)。 離子探針：可分析元素周期表上的所有元素，且所分析的元素可低達(dá)10010-6。離子探針分析亦屬剝層分析，對(duì)原始表面有損傷作用，因而對(duì)同一表層不能作重復(fù)分析。 電子探針：它靠光學(xué)成象進(jìn)行定位，廣泛應(yīng)用于平坦表面微區(qū)(0.5m)成分定性或定量分析。利用電子探針可給出所分析元素的線分布、面分布(見圖1-6)和定點(diǎn)區(qū)域的元素含量。所分析的元素從鈹?shù)解?，分析的元素含量可低達(dá)0.1%左右。電子探針對(duì)表面無損傷作用，但缺點(diǎn)是無法分析粗糙的斷面。圖1-6 電子探針微區(qū)成分

36、面分布X射線波譜儀：X射線的波長決定于被激發(fā)物質(zhì)的原子序數(shù)，該儀器即是利用探測(cè)X射線的特征波長來進(jìn)行成分分析。波長色散譜儀可分析到鈹。 一般說來，波譜儀的波長分辨率很高，這是它的突出優(yōu)點(diǎn)。但是為了達(dá)到譜儀的精確聚焦，要求樣品上X射線的發(fā)射源(分析點(diǎn))的幾何位置嚴(yán)格地處于聚焦圓上;同時(shí)波譜儀難以在低速流和低激發(fā)強(qiáng)度的情況下使用，這是波譜儀的兩個(gè)主要缺點(diǎn)。 X射線能譜儀：X射線能譜儀的最大優(yōu)點(diǎn)是不損傷表面以及可同時(shí)適用于粗糙的斷口表面和磨片表面的元素分析，因而是目前失效分析中最 常用的微區(qū)成分分析儀器。X射線能譜儀是利用測(cè)量特征X射線 能量來確定樣品中元素的方法。1.4.5 力學(xué)性能測(cè)試對(duì)零部件的

37、失效分析幾乎都應(yīng)當(dāng)測(cè)定材料的力學(xué)性能。硬度測(cè)試簡便易行，對(duì)失效分析常常是最有用的手段之一。所得數(shù)據(jù)可用來：（1）判斷熱處理是否合乎要求；（2）初步判斷金屬材料特別是鋼材的抗拉強(qiáng)度；（3）檢驗(yàn)由于過熱、脫碳、滲碳、滲氮和加工硬化等所引起的軟化或硬化。除了對(duì)拉伸、沖擊性能與技術(shù)要求進(jìn)行比較以外，有時(shí)還需做一些比使用溫度稍高或稍低的力學(xué)性能測(cè)試，以便對(duì)零部件在服役中是否有超溫現(xiàn)象做出判斷。必要時(shí)還需要確定與損傷機(jī)理有關(guān)的其它性能，如斷裂韌度、疲勞強(qiáng)度、持久強(qiáng)度或應(yīng)力腐蝕開裂傾向等。1.4.6 無損檢測(cè)在檢查失效件的同批服役件、庫存件時(shí)，常需進(jìn)行無損檢測(cè)，以防止同類事故的發(fā)生。若能查出第二件、第三件，

38、則更有利于失效性質(zhì)及失效原因的分析判斷。有時(shí)也需要對(duì)失效件進(jìn)行無損檢測(cè)，判斷是否存在未發(fā)現(xiàn)的裂紋或缺陷等。目前，無損檢測(cè)的方法已有十多種。根據(jù)無損檢測(cè)的物理原理大致可分為：射線檢測(cè)、磁粉檢測(cè)、渦流檢測(cè)、超聲檢測(cè)、滲透檢測(cè)。1、 射線檢測(cè)X射線檢測(cè)：利用金屬基體與缺陷處對(duì)X射線的吸收與散射效應(yīng)不同，即可根據(jù)感光片黑度的變化來判斷缺陷的性質(zhì)、大小、數(shù)量和位置。主要適用于檢查厚度小于130mm（有的可達(dá)500mm）構(gòu)件的內(nèi)部裂紋及缺陷。射線檢測(cè)：射線是衰變者的同位素釋放出的一種波長介于X射線和高能X射線之間的電磁波。其檢驗(yàn)原理與X射線檢驗(yàn)相同。多用于檢測(cè)30250mm厚鋼材內(nèi)部裂紋及缺陷。2、 磁粉

39、檢測(cè)磁粉檢測(cè)技術(shù)的原理是：通過磁粉在缺陷附近漏磁場(chǎng)中的堆積來檢驗(yàn)鐵磁材料表面或近表面處的缺陷。檢測(cè)時(shí)，將被測(cè)材料置于強(qiáng)磁場(chǎng)中或通以大電流使之磁化，當(dāng)其表面有缺陷時(shí)，磁力線通過的阻力增大，并在缺陷附近產(chǎn)生漏磁，將放在材料表面的磁性吸住，堆積形成可見的磁粉痕跡，從而把缺陷顯示出來。根據(jù)這種磁粉的圖像，就可以判斷構(gòu)件表面缺陷的存在、數(shù)量、形狀、大小及分布。磁粉檢測(cè)適用于探測(cè)鐵磁性材料表面與次表面的裂紋等缺陷。3、 渦流檢測(cè)渦流檢測(cè)是以電磁感應(yīng)效應(yīng)為基本原理的一種無損檢測(cè)技術(shù)。即利用金屬材料在交變磁場(chǎng)中感應(yīng)渦流的變化來判定材料的缺陷和物理特性。檢測(cè)時(shí)有交流電的線圈置于被測(cè)金屬板上或套在被測(cè)金屬管外，線圈內(nèi)及其附近產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，使被測(cè)物產(chǎn)生渦流，渦流的分布和大小與金屬的物理量及表面有無缺陷有關(guān)。用以探測(cè)線圈測(cè)量渦流所引起的磁場(chǎng)變化，可推知被測(cè)物中渦流的大小和相應(yīng)變化，從而獲得有關(guān)缺陷、材質(zhì)狀況和其它物理量的信息。渦流檢測(cè)適用于探測(cè)幾何形狀規(guī)則的線、棒、管材和板材中的裂紋等缺陷。4、 超聲檢測(cè)超聲檢測(cè)是利用材料自身及其缺陷的聲學(xué)特性對(duì)超聲波傳播的影響，檢測(cè)材料的缺陷或某些物理特性。其簡單原理是：由超聲發(fā)生器發(fā)出的超聲波，通過由水晶、鈦酸鋇等壓電元件構(gòu)成的換能器（即超聲波探頭），以縱波、橫波、表面波或板波中任何一種形式放射到被