淺談金屬構(gòu)件失效分析方法

李鵬志

（石家莊職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機電工程系，河北 石家莊 050081）

各種金屬構(gòu)件都具有一定的功能，如實現(xiàn)規(guī)定的機械運動、傳遞動力或者能量等，如果這些零件失去最初規(guī)定的效能，即稱之為失效.通過失效分析可判斷出產(chǎn)品的失效模式，查找出產(chǎn)品的失效原因及機理，并采取相應(yīng)的改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似的失效再次發(fā)生.失效分析常見的檢驗方法有：斷口形貌分析、掃描電鏡分析、機械性能試驗、金相組織觀察、斷裂韌性試驗、電子能譜分析等.

1 斷口形貌分析

斷口是金屬破斷后獲得的一對相互匹配的斷裂表面及其外觀形貌，斷口總是發(fā)生在金屬組織中最薄弱的環(huán)節(jié).通過斷口的形貌分析可研究一些斷裂的基本問題，如斷裂起因、斷裂性質(zhì)、斷裂方式、斷裂機制、斷裂韌性、斷裂過程的應(yīng)力狀態(tài)以及裂紋擴展速率等.

某機械廠生產(chǎn)的礦用圓環(huán)鏈斷口圖片如圖1所示.圓環(huán)鏈斷口由裂紋源區(qū)、擴展區(qū)和剪切唇區(qū)組成.擴展紋直指裂紋源區(qū)，可見裂紋從裂紋源區(qū)萌生并迅速向周圍輻射擴展，形成環(huán)狀擴展區(qū).由此可以推斷，裂紋源區(qū)可能存在組織缺陷形成的薄弱點，造成應(yīng)力集中，萌生裂紋.整個擴展區(qū)與裂紋源區(qū)連成一片，而且除裂紋源區(qū)一小塊表面無剪切唇外，其他斷面都有剪切唇出現(xiàn)，說明斷裂由一個裂紋源擴展而成.

圖1 圓環(huán)鏈斷口宏觀形貌

2 掃描電鏡分析

掃描電子顯微鏡適用于對凹凸不平的表面進(jìn)行連續(xù)放大觀察，其電子圖像立體感強，分辨本領(lǐng)可達(dá)15nm左右，是斷裂失效分析的最有效工具之一.

以某農(nóng)用三輪車變速箱斷裂齒輪軸為例，通過掃描電子顯微鏡（SEM）高倍觀察到的其斷口形態(tài)如圖2所示.

圖2 齒輪軸微觀斷口分析

由圖2知，斷口為河流狀穿晶解理和準(zhǔn)解理斷裂形態(tài)［1］，并且未見原始裂紋、沿晶斷口、異常夾雜物等缺陷，也未見疲勞斷口特征.擴展區(qū)均為穿晶解理和準(zhǔn)解理斷口.掃描電鏡分析表明，齒輪軸微觀斷口為穿晶解理和準(zhǔn)解理脆性斷口，屬于一次快速脆性斷裂.

3 金相分析

參照GB／T 226－1991《鋼的低倍組織及缺陷酸蝕檢驗法》［2］，截取不同部位的試片，依次經(jīng)鑲嵌粗磨精磨4%硝酸乙醇溶液侵蝕等制成金相試樣，再通過金相顯微鏡觀察剖面的金相組織.有些失效構(gòu)件只需金相觀察就可以查明損壞的原因.例如，由加工工藝、材質(zhì)缺陷和環(huán)境介質(zhì)等因素所導(dǎo)致的損壞，均可通過金相觀察來判別損壞的原因.金相檢驗的內(nèi)容包括晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小及分布、夾雜物、疏松、裂紋、脫碳等.特別應(yīng)注意晶界處是否有析出相、腐蝕等現(xiàn)象發(fā)生.

圖3 T91鋼管向火側(cè)的金相組織

某電廠已爆管失效的鍋爐T91鋼管制再熱器管道向火側(cè)的金相組織如圖3所示.通過金相觀察發(fā)現(xiàn)，碳化物顆粒整齊地排列于晶界，個別已經(jīng)相接成串，晶內(nèi)的碳化物顆粒數(shù)量變少，個別碳化物顆粒變得比較粗大.這是因為在高溫和壓力的長期作用下，碳化物顆粒在晶內(nèi)粗化長大，一些碳化物顆粒分布于晶界上，而在晶內(nèi)的碳化物顆粒數(shù)量逐漸減少，發(fā)生Ostwald熟化.而且，由于在晶界上存在大量的空位、位錯等缺陷，溶質(zhì)的擴散速度遠(yuǎn)大于晶內(nèi)，造成碳化物在晶界處不斷析出和長大，并成串分布，而這就是裂紋的發(fā)生源.

4 化學(xué)成分分析

化學(xué)成分分析主要是采用光譜法測定金屬構(gòu)件的材料是否符合技術(shù)要求，有無用錯材料或出現(xiàn)成分偏差.在某些特殊失效分析中，特別是包含著腐蝕和應(yīng)力腐蝕的失效案例，需要對腐蝕表面的氧化物、沉積物或者腐蝕產(chǎn)物以及與被腐蝕材料接觸的介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析，以有助于初步確定失效的原因.

在失效分析中，經(jīng)常使用電子探針、俄歇譜儀、離子探針等儀器來檢測失效件的腐蝕產(chǎn)物、表面化學(xué)元素組成、化學(xué)成分的局部偏析以及微量元素等.

圖4為某失效件表面腐蝕產(chǎn)物的光電子能譜分析結(jié)果圖.可以看出，失效件表面的主要成分為Fe3O4.可以斷定，該工件的腐蝕介質(zhì)中HCl和H2S的含量不大，主要是發(fā)生了氧化腐蝕［3］.

圖4 某腐蝕失效件表面能譜分析結(jié)果

5 人工模擬斷口分析

在初步確定失效原因后，應(yīng)及時進(jìn)行模擬試驗，以驗證初步結(jié)論的可靠性.

仍以農(nóng)用三輪車變速箱斷裂齒輪軸為例.為進(jìn)一步分析齒輪軸的斷裂機理，在斷口附近取材，制成直徑5mm的棒狀試樣，表面預(yù)設(shè)切口，室溫下自表面切口處人工打斷.SEM下觀察其微觀形貌，如圖5所示.人工斷口與實物斷口斷裂形態(tài)（圖2）一致，均為穿晶解理和準(zhǔn)解理斷裂.

圖5 人工模擬斷口分析

6 失效分析的其他方法及建議

金屬構(gòu)件失效分析除上述方法外，還有機械性能試驗法.我們可以通過硬度試驗測定失效件的硬度值，通過拉伸試驗測定強度值和塑性值，通過彎曲試驗測定抗彎強度，通過擺錘的一次沖擊試驗測定沖擊韌性，以校驗該構(gòu)件的力學(xué)性能是否符合技術(shù)要求.

在失效分析過程中，要及時對各種檢查和試驗所得的結(jié)果和數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析和研究，得出失效的一種或幾種主要原因，提出改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似失效的再次發(fā)生，并寫出失效分析報告.

［1］鐘振前，楊 春，朱衍勇，等.齒輪軸斷裂失效分析 ［J］.物理測試，2011，29（1）：59－62.

［2］冶金工業(yè)信息標(biāo)準(zhǔn)研究院冶金標(biāo)準(zhǔn)化研究所，中國標(biāo)準(zhǔn)出版社第五編輯室.金屬材料金相熱處理檢驗方法標(biāo)準(zhǔn)匯編 ［M］.北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2006：98.

［3］趙 敏，康強利，郭興建，等.腐蝕失效分析方法及展望 ［J］.理化檢驗：物理分冊，2006，42（12）：624－630.