| 简介

随着科学技术和工业生产的迅速发展，人们对机械零部件的质量要求也越来越高。材料质量和零部件的精密度虽然得到很大的提高，但各行业中使用的机械零部件的早期失效仍时有发生。此类失效不仅造成设备非计划停机与高昂更换成本，更可能导致灾难性安全事故与重大环境风险，并引发设计方、制造商、用户及监管方的复杂责任争议。通过失效分析，找出失效原因，提出有效改进措施以防止类似失效事故的重复发生，从而保证工程的安全运行是必不可少的。

| 相关行业

汽车零部件、精密零部件、模具制造、铸锻焊、热处理、表面防护等金属相关行业。

| 金属失效分析的意义

1. 减少和预防产品同类失效现象重复发生，减少经济损失，提高产品质量；

2. 为裁决事故责任，制定产品质量标准等提供可靠的科学技术依据。

| 常见失效模式

1、变形失效：弹性变形；塑性变形；蠕变；应力松弛 

2、断裂失效：韧性断裂；脆性断裂（包括沿晶断裂，解理断裂）；疲劳断裂。 

3、腐蚀失效：均匀腐蚀；点腐蚀（包括孔蚀）；缝隙腐蚀；局部腐蚀；晶间腐蚀；电偶腐蚀；氢腐蚀；应力腐蚀开裂；腐蚀疲劳；多相腐蚀；氧化；硫化物腐蚀；电化学腐蚀；酸性化合物腐蚀。

4、磨损失效：磨料磨损；粘着磨损；冲蚀磨损；微动磨损；腐蚀磨损；疲劳磨损；冲蚀。

5、表面失效：表面变色、镀层剥落、鼓泡。

| 常见失效原因

1、设计不当引起的失效：结构或形状不合理，构件存在缺口、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。分析设计原因引起失效尤其要注意：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。

2、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，遵循使用性原则是首先要考虑的。使用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的。

3、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)、冷热成形(冲、压、卷、弯等)、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制订欠合理，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。

4、使用操作不当和维修不当：使用操作不当是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。

| 金属中常见缺陷

1、铸造制品主要缺陷：偏析、气孔、缩孔与缩松、夹杂、裂纹、冷隔及其他缺陷。

2、金属材料加工成形缺陷：加工热裂纹和冷裂纹、热处理裂纹、过热与过烧、异物压入、腐蚀、粗大的魏氏体组织、网状碳化物及带状组织、钢材表层脱碳、折叠、分层。

| 失效分析方法

1、外观观察：判断失效模式，对于断裂，判断主裂纹。

使用设备：超景深显微镜。

当各断裂件中，既有延性断裂，又有脆性断裂时，一般脆性断裂件发生在前，延性断裂件发生在后；

当各断裂件中，既存在脆性断裂件，又存在疲劳断裂件时，则疲劳断裂件应为首断件；

当存在两个或两个以上的疲劳断裂件时，低应力疲劳断裂件出现在前，而大应力疲劳断裂件出现在后；

1）分枝法：分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹（图2）。

2）T型法：在一般情况下横贯裂纹A为首先开裂的，A裂纹阻止B裂纹扩展或者B裂纹的扩展受到A裂纹的阻止时，A裂纹为主裂纹，B裂纹为二次裂纹（图3）。

3）变形法：变形量较大的部位为主裂纹、其他部位为二次裂纹（图4）。

4）氧化法：氧化程度最为严重者为断裂源头（图5）。

5）疲劳裂纹长度法：当存在两个或两个以上疲劳断裂件时，低应力的疲劳断件疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距较密，为主裂纹或主断口（图6）。

2、微观观察：观察断口形貌，判断断裂模式。

使用设备：电子扫描显微镜。

3、金相观察：观察金相组织，测量缺陷尺寸。

使用设备：金相显微镜。

4、X射线透视：对于某些不能通过外观检查到的部位如PCB的通孔内部和其他内部缺陷，使用X射线透视系统来检查。

使用设备：X射线系统。

5、成分分析：

DS能谱分析：快速对所分析面进行元素定性；使用设备：电子扫描显微镜+能谱仪。

FTIR红外分析，异物尤其是有机物分析；使用设备：傅里叶变换显微红外光谱仪；

ICP-OES分析：对金属牌号鉴定，定量准确。使用设备：电感耦合等离子体发射光谱仪。

6、物相分析：

使用设备：X射线衍射仪。

7、X射线光电子能谱（XPS） 

XPS 全称为X-ray Photoelectron Spectroscopy（X射线光电子能谱）, 是一种使用电子谱仪测量X-射线光子辐照时样品表面所发射出的光电子和俄歇电子能量分布的方法。 

1）表面元素定性及含量（Li-U），检出限0.1%at，能检测周期表中除氢、氦以外的所有元素。 

2）能够观测化学位移，化学位移同原子氧化态、原子电荷和官能团有关。化学位移信息是利用XPS进行原子结构分析和化学键研究的基础。 

3）元素沿深度方向的分布分析 

4）全谱分析，一般用来说明样品中是否存在某种元素。比较极端的，对于某一化学成分完全未知的样品，可以通过XPS全谱分析来确定样品中含有哪些元素（H和He除外）。 

谱图解析：O1s结合能数值可以确定，529.9和532.0eV 对应于M—OH化合物的特征峰，530.7和531.5eV 对应于M—O化合物的特征峰，而533.2eV对应 H2 O的特征峰。

8、电子背散射衍射分析技术（EBSD）

EBSD技术利用电子束与样品相互作用产生的背散射电子信号，通过分析这些信号来获取晶体的结晶学信息。 

其可做项目：1）织构和取向差分析； 2）晶粒尺寸及形状分布分析； 3）晶界、亚晶及孪晶界性质分析； 4）应变和再结晶的分析； 5）相签定及相比计算等， 

谱图解析：上层为超大晶粒层，等效晶粒尺寸大于20μm，下层为细晶层0.4~0.5μm。

 9、机械性能分析（硬度、拉伸性能、冲击性能、弯曲性能等）

10、案例：用鱼骨图法分析螺栓失效