李鵬志

（石家莊職業(yè)技術學院 機電工程系，河北 石家莊 050081）

各種金屬構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，并采取相應的改進和預防措施，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行連續(xù)放大觀察，其電子圖像立體感強，分辨本領可達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 化學成分分析

化學成分分析主要是采用光譜法測定金屬構件的材料是否符合技術要求，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)進行化學分析，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、表面化學元素組成、化學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果

5 人工模擬斷口分析

在初步確定失效原因后，應及時進行模擬試驗，以驗證初步結論的可靠性.

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，表面預設切口，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，以校驗該構件的力學性能是否符合技術要求.

在失效分析過程中，要及時對各種檢查和試驗所得的結果和數(shù)據(jù)進行綜合分析和研究，得出失效的一種或幾種主要原因，提出改進和預防措施，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)信息標準研究院冶金標準化研究所，中國標準出版社第五編輯室.金屬材料金相熱處理檢驗方法標準匯編 ［M］.北京：中國標準出版社，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.