.理化檢驗-物理分冊PTCA (PART: A PHYS.TEST)2005年 第4114■(專題講座失效分析技術(shù)傅國如1.2,張崢'(1.北京航空航天大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院，北京100083; 2. 北京航空工程技術(shù)研究中心，北京100076)摘要:簡要介紹了失效分析技術(shù)--痕跡分析技術(shù)、裂紋分析技術(shù)和斷口分析技術(shù)等的基本概念、主要內(nèi)容、一般程序和基本方法,以及它們在工程失效分析中的應(yīng)用。關(guān)鍵詞:失效分析技術(shù);痕跡分析技術(shù);裂紋分析技術(shù);斷口分析技術(shù)中圖分類號: TB303文獻標(biāo)識碼: B文章編號: 1001-4012(2005)04-0212 04FAILURE ANALYSIS TECHNOLOGYFU Guo-rul2，ZHANG Zheng'(1. School of Materials Science and Engineering, Bejing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100083, China;2. Beijing Aeronautical Technology Research Center, Beijing 100076, China)Abstract: There are trace analysis technology, crack analysis technology and fractography analysistechnology in failure analysis technology. T he basic concept, principal content, common process and basic means areintroduced in this paper. The application of these three techniques in engineering failure analysis was also introducedin this paper.Keywords: Failure Analysis technology; Trace analysis technology; Crack analysis technology; Fractographyanalysis technology失效分析是-一門系統(tǒng)工程,其中的分析技術(shù)是在失效分析范疇,痕跡的具體含義是指:痕跡的其理論和實踐基礎(chǔ)。失效分析技術(shù)主要包括痕跡分形貌(或稱花樣) ;痕跡區(qū)、污染物及反應(yīng)產(chǎn)物的化學(xué)析技術(shù)、裂紋分析技術(shù)和斷口分析技術(shù)等相關(guān)內(nèi)容。成分; 痕跡顏色的種類、色度、分布和反光等;痕跡區(qū)材料的組織和結(jié)構(gòu);痕跡區(qū)的表面性能;痕跡區(qū)的殘1痕跡分析技術(shù)[1.2]余應(yīng)力分布;從痕跡區(qū)散發(fā)出來的各種氣味;痕跡區(qū)痕跡分析是失效分析中常用的一種分析方法和的電荷分布和磁性等。痕跡分析即是對失效件的上技術(shù)。通過痕跡分析,不僅可對事故和失效的發(fā)生、述特征的變化進行鑒別,并找出其變化原因,為失效發(fā)展過程做出判斷,而且可為事故和失效分析結(jié)論分析提供線索和依據(jù)的技術(shù)活動。提供可靠的佐證和依據(jù)。1.2痕跡分析程序1.1痕跡及痕跡分析概念在一般情況下,痕跡分析應(yīng)按如下程序進行。廣義地說,痕跡是指環(huán)境作用于系統(tǒng),在系統(tǒng)表(1)發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)痕跡這是痕跡分析的前提和面留下的標(biāo)記。在機械失效中,系統(tǒng)指的是失效的基礎(chǔ)。應(yīng)以現(xiàn)場為起點,先收集能反應(yīng)整體破壞順構(gòu)件或零件,而環(huán)境則是指外來的力學(xué)、化學(xué)、熱學(xué)、序的痕跡 ,后收集具體零部件外部的痕跡,再收集零電學(xué)等因素。因此,對機械失效，痕跡可定義為力部化中國煤化工染物和分離物。學(xué)化學(xué)熱學(xué)、電學(xué)等環(huán)境因素單獨地或協(xié)同地作|YHCNM H G洗、記錄和保存痕跡用于機械,并在其表面或表面層留下的損傷性標(biāo)記。方法有復(fù)印、制模法、靜電法和AC紙粘附法等。痕跡的記錄可以用文字、示意圖和照片。收稿日期:2005-03-08(3)鑒定痕跡對具體的痕 跡特征進行針對性作考箭方魏據(jù)如(1968- ),男,高級工程師,碩士。檢驗,從而確定痕跡的性質(zhì)、產(chǎn)生的時間和條件。鑒●212●理化檢驗物理分冊傅國如等:失效分析技術(shù)定時,應(yīng)按由表及里、由簡而繁、先宏觀后微觀、先定高性后定量,按形貌組織結(jié)構(gòu)-性能的順序進行。良接觸或作用(4)模擬再現(xiàn)痕跡必要時可在產(chǎn) 品上進行，拆檢同型號的、已使用過的產(chǎn)品的相應(yīng)痕跡加以對留痕物比是-種更真實的“試驗”。圖1痕跡的形成(5)綜合分析痕跡分析需綜合考慮形成痕跡Fig.1 Trace formation的過程、條件和影響因素,痕跡的可變性及與零件工作失效的關(guān)系等,以確定痕跡的性質(zhì)和原因。和加工痕跡等七類。1.3痕跡的發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)技術(shù)(2)機械接觸痕跡由 于機械力的作用而在接痕跡的發(fā)現(xiàn)和顯現(xiàn)就是將隱藏的、不明顯的痕觸部位留下的痕跡稱為機械接觸痕跡,簡稱機械痕跡特征揭示出來,以確定痕跡的分布及其規(guī)律,為進跡。依據(jù)接觸方式和相對機械運動方式的不同,機一步的痕跡性質(zhì)鑒定提供目標(biāo)。械痕跡又可分成如下五種。痕跡是一種表面特征,尋找痕跡應(yīng)在零部件的①壓人性機械痕跡簡稱壓痕 ,是造痕物壓人表面進行,并根據(jù)地點、機件等不同采取相應(yīng)的方留痕物,在接觸面留下的痕跡。典型形貌是壓坑、壓法。對大的機件,如飛機、汽車等,應(yīng)著重從零部件傷.壓陷和壓痕,如壓人法測量金屬硬度時在金屬表的表面顏色變化表面結(jié)構(gòu)輪廓變化、形貌變化等肉面留下的各種規(guī)則的印痕,在零件表面敲上的鋼印眼易見的特征上來發(fā)現(xiàn)痕跡;當(dāng)零部件較小時,在實編號、標(biāo)記等。壓痕--般具有如下特征:形貌規(guī)則,.驗室借助一定的儀器設(shè)備來進行的同時,應(yīng)在以上邊界清晰,與造痕物接觸部位的形狀吻合;在垂直表檢查的基礎(chǔ)上，重點從粗糙度變化、細(xì)小附著物、擦面的方向上變形最大;面積大小和深度與作用在壓痕劃痕、材料成分和組織等方面來發(fā)現(xiàn)痕跡。頭上的法向載荷成正比、與壓頭的接觸面積成反比;1.4痕跡的提取、 固定、清洗、記錄和保存技術(shù)保載時間越長,壓痕越大;不會產(chǎn)生磨粒,很少有材為了得到痕跡的準(zhǔn)確信息,需對痕跡進行清理,料粘著和轉(zhuǎn)移;材料不同,壓痕也不相同。圖2是導(dǎo)以去除保護涂層、腐蝕產(chǎn)物和灰塵之類的松散沉積致~飛機座艙拋蓋活門薄膜破裂的壓痕形貌,其形狀物。常用的清理技術(shù)有機械刷洗法、有機溶劑清洗規(guī)則,底部減薄最大、邊緣隆起、邊緣至底部均勻過法弱酸或堿性溶液處理法和超聲清洗法。渡,為典型的容積形壓坑。1.5痕跡的鑒定1.5.1痕跡的形 貌鑒定痕跡的形貌鑒定是痕跡分析的關(guān)鍵。應(yīng)首先通過肉眼觀察確定痕跡的整體分布特征與規(guī)律,然后以有代表性的局部痕跡來重點分析痕跡的性質(zhì)。(1)痕跡的形成要素和分類- 般來說,形 成痕跡包含三個基本要素:①造痕物,即痕跡的制造者,是直接接觸并作用于機械表面的物體或介質(zhì)。28um②留痕物，即造痕物作用的對象,一般指機械表面。造痕物與留痕物是相對的,有時在兩個匹配的接觸圖2飛機座艙拋 蓋活門薄膜表面壓痕面都會留下痕跡。③造痕物和留痕物發(fā)生相互接Fig.2 Impress trace formation of seat cabin觸或非正常作用。valve film in aircraft圖1示出了痕跡的形成原理。當(dāng)造痕物與留痕物發(fā)生相互接觸或作用,痕跡就會形成。對機械痕中國煤化工寧發(fā)生事故(或故障)跡,造痕物與留痕物之間的這種作用就是力,而且一時機件E指示位置是否存在外來物JYH.CN.MH G失效信息。般為壓應(yīng)力。根據(jù)痕跡形成的機理和條件的不同，可將機械失效中的痕跡分為機械接觸痕跡、腐蝕痕②撞擊性機械痕跡撞 擊性機械痕跡的機械跡、電侵蝕痕跡污染痕跡分離物痕跡、熱損傷痕跡力作用時間很短,變形速度大,接觸面之間以垂直接觸面方向的相對運動為主。如飛機墜毀時的接地痕。213.P.理化檢驗物理分冊傅國如等:失效分析技術(shù)跡等。撞擊性機械痕跡可分為外物打傷痕跡、多次碎渣堆積撞擊表面疲勞痕跡和沖蝕損傷痕跡三種。③滑動性機械痕跡又稱摩擦痕跡,是在摩擦過程中形成的痕跡,如機械表面的各種劃痕、磨痕、刮痕等,是機械表面最常見的機械痕跡。根據(jù)其形成機理和特征,可分為犁痕(即劃痕)、粘著痕跡摩:劃痕形成方向擦疲勞痕跡和摩擦腐蝕痕跡等四類。犁痕是其中最常見的一種,也是整個機械痕跡中較常見的一-種痕圖5材料碎渣在表面凸起處堆積Fig. 5 Material accumulation ahead heave跡準(zhǔn)確判斷其形成的條件、方向和機理對診斷整個事故或失效的形成過程和原因具有重要的意義。一約 30°的方向右傾斜.指示了犁痕的形成方向。般需從犁痕的起始、末端、溝邊和溝底四個部位的宏(f)撞擊型的犁痕,由于造痕物對留痕物的作觀、微觀特征來對犁痕進行鑒別,其中特別要注意細(xì)用力逐漸減小，因此,劃痕寬度會由粗變細(xì),深度會微形貌和材料轉(zhuǎn)移特征。犁痕的方向,一般可根據(jù)由深變淺,材料轉(zhuǎn)移會由多變少;犁痕的宏觀形狀呈以~下特點來鑒別: .(a)直接犁人的犁痕，起點處不但沒有材料堆收斂形,收斂的方向就是犁痕的形成方向。④滾動性機械痕跡工程上所說的滾動性機積，而且往往出現(xiàn)凹陷,如圖3左邊所示。槭痕跡,實際上都是滾壓或滾滑性機械痕跡,簡稱為滾動痕跡。如各種輪胎滾壓痕跡和履帶滾壓痕跡,.滾動接觸疲勞痕跡等。⑤微動性機械痕跡微動 就是名義上相對靜止的兩個固體,其相互接觸的表面在法向壓力作用下互相擠壓并產(chǎn)生往復(fù)的相對滑動。相對滑動幅度圖3犁痕方向的判斷在5~400μm。微動性損傷有微動疲勞、微動磨損Fig. 3 Judgement of plough trace direction和微動腐蝕等。(b)如果先形成壓印痕,再發(fā)展成劃痕,則起點(3)腐蝕痕跡金屬腐蝕是指金屬與周圍介質(zhì)處會留下壓印痕的特征。發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)作用,導(dǎo)致金屬損傷的各種轉(zhuǎn)變(c)一次性的劃痕,結(jié)尾往往帶有突然性,在犁過程。金屬腐蝕必有腐蝕產(chǎn)物出現(xiàn)。腐蝕經(jīng)常與其痕的末端有比較明顯的材料堆積,如圖4所示。它失效形式協(xié)同作用,產(chǎn)生更為嚴(yán)重的復(fù)合失效形式，如腐蝕磨損、腐蝕疲勞、熱腐蝕和應(yīng)力腐蝕等。零件是否發(fā)生了腐蝕,可以從表面顏色、形貌、表面層化學(xué)成分、物資結(jié)構(gòu)等是否有變化和導(dǎo)電、導(dǎo)熱、表面電阻等表面性能的變化等方面來鑒別。如鋼和鑄鐵,腐蝕開始時金屬表面顏色發(fā)暗,腐蝕輕時呈暗灰色,進- -步發(fā)展會變?yōu)楹稚蜃攸S色,嚴(yán)重腐蝕呈棕色或褐色疤痕甚至銹坑。(4)污染痕跡各 種污染物附著在表面而留下圖4犁痕末端材料堆積的痕跡成為污染痕跡。污染痕跡分析的內(nèi)容很多、Fig. 4 Material accumulation in end of plough trace范圍很廣,除常規(guī)的各種理化檢驗方法外,主要還有(d)當(dāng)劃痕途經(jīng)表面凹凸處時,會在凸起前緣氣氛分析油沙公哲府劬產(chǎn)物分析和磨粒分析。中國煤化工主要:是指接觸面在物形成材料碎渣的堆積,如圖5所示。理、.TYHCNMH C落下來的顆粒。最常(e)--般金屬材料向犁溝外側(cè)的兩邊翻起,翻見的分離物有磨屑、腐蝕產(chǎn)物、毛刺、剝落的涂層、鍍起的金屬毛刺的傾斜方向為表面犁溝的形成方向。層、燒熔濺痕等。分離物痕跡分析主要是指分離物圖3中犁痕的方向為從左向右,兩側(cè)的金屬毛刺呈本身的形貌、成分、結(jié)構(gòu)顏色和磁性等方面的分析。, 214萬.方數(shù)據(jù)理化檢驗-物理分冊傅國如等:失效分析技術(shù)(6)熱損傷痕跡在熱 能作用下,接觸部位發(fā)1.6痕跡的模擬再現(xiàn)生局部不均勻的溫度變化而在表層留下的痕跡稱為通常的痕跡模擬再現(xiàn)試驗有實驗室實驗和現(xiàn)場熱損傷痕跡。表面層局部過熱、過燒、熔化、燒穿,漆實驗兩種。實驗室實驗可在專用實驗機上進行,試層及非金屬表面燒焦都會留下熱損傷痕跡。熱損傷驗件可以根據(jù)試驗機的要求選用同類零件或試片，痕跡一般可從顏色的變化，表面層成分、結(jié)構(gòu)的變但實驗參數(shù)應(yīng)調(diào)整到與痕跡分析中得出的痕跡條件化,顯微組織的變化，表面性能的改變,形貌特征等-致?，F(xiàn)場試驗是比實驗室試驗更準(zhǔn)確、更可靠的五方面進行分析。如不銹鋼,在430~ 480C開始變模擬再現(xiàn)方法,其工作條件一般與失效時的情況更色，隨溫度上升,顏色從黃褐色變?yōu)榈{(lán)色、藍(lán)色和接近,但相應(yīng)的一些試驗參數(shù)也應(yīng)該根據(jù)前面的分黑色。析進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整。(7)電損傷痕跡包括電侵蝕(電腐蝕)和靜對由模擬試驗得出的痕跡,應(yīng)與失效件.上的痕電損傷兩大類。跡進行對比分析。如果模擬試驗再現(xiàn)了失效痕跡特①電侵蝕,其痕跡主要有電蝕坑、金屬熔球、金征,說明對痕跡形成的條件和原因分析基本正確;如屬轉(zhuǎn)移等。電侵蝕的主要危害是使電路工作不穩(wěn)果沒有再現(xiàn)，應(yīng)分析其中的原因,并對失效痕跡進行定、電路元件燒毀、引起火災(zāi)。如,一.飛機的左操作補充分析與完善,在此基礎(chǔ)上調(diào)整試驗參數(shù),再次進臺起火,原因是開關(guān)內(nèi)部電弧引起。行模擬試驗,直到痕跡被再現(xiàn)。②靜電放電痕跡,由于靜電放電現(xiàn)象而在放電1.7痕跡的綜合分析部位留下的痕跡稱為靜電放電痕跡。其主要宏觀特痕跡的綜合分析是在對痕跡的形貌、成分、組織征是放電過程中形成的碳及碳化物，使放電部位的結(jié)構(gòu)和性能等進行鑒定的基礎(chǔ)上，綜合考慮痕跡的表面顏色發(fā)黃、發(fā)灰或發(fā)黑。局部的高溫熔融,使放模擬再現(xiàn)試驗情況,分析確定痕跡的性質(zhì)和產(chǎn)生條電部位表面顏色變成深藍(lán)。放電過程中,放電體上件(原因) ,為整個失效分析提供依據(jù)的過程。痕跡會形成類似于火山口狀的“火花放電微坑”。綜合分析的目的是要確定痕跡的性質(zhì)和來源(產(chǎn)生(8)與裂紋源有關(guān)的痕跡與 裂紋源有關(guān)的痕的條件或原因)。跡很多,概括起來主要有冶金夾渣、擠壓裂口、加工1.7.1痕跡的性質(zhì)痕跡、電筆烙印、釬焊沿晶氧化微裂紋、焊接冷裂紋不同性質(zhì)的痕跡具有不同的特征,不同的特征等6種。反應(yīng)不同的痕跡形狀，痕跡性質(zhì)與痕跡特征之間具1.5.2 痕跡的成分鑒定有對應(yīng)關(guān)系。通過對痕跡進行全面的分析,可確定痕跡的成分鑒定是對留痕物上的表面附著物、痕跡的各項特征,由此基本分析出痕跡的性質(zhì)。分金屬粘結(jié)物的元素種類和含量進行分析，以確定造析中需要綜合考慮痕跡的各方面特征后才能做出最痕物的種類。常用的分析儀器為通過各種發(fā)射譜進后的結(jié)論,切不可只根據(jù)--兩個特征,或只根據(jù)宏觀行表面成分分析的各種表面分析譜儀。特征或微觀特征,就確定痕跡的性質(zhì)。1.5.3 痕跡的組織結(jié)構(gòu)鑒定如,一發(fā)動機的壓氣機葉片發(fā)生疲勞斷裂,源區(qū)痕跡的組織結(jié)構(gòu)鑒定一般采用表面微區(qū) 晶體結(jié)存 在一凹坑痕跡(見圖6)。宏觀下該痕跡位于葉片構(gòu)分析技術(shù)。目前,適用于厚塊試樣表面結(jié)構(gòu)分析的進氣邊緣,呈豁口狀,底部已露出金屬光澤;微觀的有低能電子術(shù)射技術(shù)、反射式高能電子衍射技術(shù)、下底部可見細(xì)小的擦痕,盆面尾端有金屬毛邊,見圖反射電子衍射技術(shù)、電子通道花樣技術(shù)、電子背散射7。由以上痕跡特征可以判斷,該痕跡為打傷痕跡,花樣技術(shù).X射線柯塞爾花樣技術(shù)等。方向為從進氣邊緣指向葉盆面。進-步的分析表1.5.4 痕跡區(qū)的性能鑒定明,這一打傷痕跡是導(dǎo)致該葉片疲勞斷裂根本原因。痕跡區(qū)的性能鑒定是指對痕跡區(qū)進行的各種物1.7.2痕跡的來源(產(chǎn) 生)理性能、化學(xué)和力學(xué)性能的檢測分析。包括表面力中國煤化寧原因或條件,這是失學(xué)性能檢測,表面電阻、磁性等物理性能檢測和耐磨效痕TH.CNMH(分析的基礎(chǔ)是痕跡的性、耐蝕性等性能檢測。用于這些性能檢測的儀器性質(zhì)分 ，小向工質(zhì)的很理只有不同的產(chǎn)生條件,也主要有表面應(yīng)力測定儀、顯微硬度計、腐蝕電位儀、就具有不同的產(chǎn)生原因,即痕跡的性質(zhì)與原因之間以及其它檢測表面各種性能的測試儀器。具有對應(yīng)關(guān)系.基本確定了痕跡的性質(zhì)后,綜合考.215.理化檢驗物理分冊PTCA (PART: A PHYS.TEST)2005年第41卷14■關(guān)于舉辦一、二級理化檢驗人員技術(shù)培訓(xùn)的通知機械工業(yè)理化檢驗人員技術(shù)培訓(xùn)和資格鑒定培訓(xùn)時間:2005年5月19~26日委員會秘書處、中國機械工程學(xué)會理化檢驗分會、費用:各專業(yè)培訓(xùn)費1200元。住宿費120上海材料研究所檢測中心經(jīng)研究決定,于2005年元/人●天,食宿統(tǒng)-安排,費用自理。5月18~26日在上海材料研究所聯(lián)合舉辦化學(xué)分聯(lián)系人:陶美娟，電話: 021- 55541226, 021-析、力學(xué)性能、金相檢驗三個專業(yè)的一、二級檢驗65556775- 251/310,傳真:021-55541226。人員技術(shù)培訓(xùn)班,現(xiàn)將有關(guān)事項通知如下。聯(lián)系地址:上海材料研究所檢測中心(上海市報名條件:邯鄲路99號,郵編: 200437)。(1)本專業(yè)中專畢業(yè)以上學(xué)歷(含中專),連.交通路線:從火車站北出口處可乘942路公續(xù)從事本專業(yè)工作年限滿一年;交車至運光新村站下。另經(jīng)上海材料研究所的公(2)高中、中技畢業(yè)學(xué)歷及非本專業(yè)中專畢交車有139, 59, 118, 133, 812, 828, 850, 854, 866, .業(yè)以上學(xué)歷(含中專),連續(xù)從事本專業(yè)工作年限933, 942,川虹專線、機場四線等。滿二年。欲參加者,請速聯(lián)系,并提供近期免冠照片兩報到及培訓(xùn)地點:上海山西賓館(上海市松花張.本人工作簡歷--份及學(xué)歷、職稱證書復(fù)印件。江路2601號)。機械工業(yè)理化檢驗人員鑒定委員會秘書處實驗操作及考核地點:上海材料研究所(上海中國機械工程學(xué)會理化檢驗分會市邯鄲路99號)。上海材料研究所檢測中心報到時間:2005年5月18日(上接第206頁)齒輪刀具中,當(dāng)碳化物不均勻度>5級或存在大塊碳化物堆集,則都會由于崩刃甚至掉齒而失效[2]。失效剃齒刀中存在的碳化物分布不均勻是由于鑄態(tài)組織中有骨骼狀萊氏體共晶網(wǎng),這些粗大的碳化物只能用鍛造的方法將其破碎，但若鍛造不充分,圖6發(fā)動機壓 氣機葉片斷裂源處的打傷痕跡則顯微組織中不均勻分布的碳化物(如網(wǎng)狀帶狀碳化物等) ,無法通過熱處理來消除,從而導(dǎo)致刀具的Fig.6 Hit trace in aero-engine lamina力學(xué)性能不能滿足要求。因此,高速鋼的鍛造除了成型的作用之外,更重要的是改善碳化物的分布,消除碳化物不均勻性,一-般要求反復(fù)鐓粗、拔長,鍛造比大,這樣才能獲得較均勻分布的碳化物。4結(jié)論剃齒刀的斷齒是由于顯微組織中碳化物分布不均勻?qū)е缕湓谑褂眠^程中產(chǎn)生崩刃[3]。參考文獻:圖7. 上圖打傷痕跡的放大形貌Fig. 7 Hit trace in aero engine laminaC1]中國煤化Iv0.上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文YHCNMHG慮零件的工作原理.工況條件和生產(chǎn)制造工藝過程，[2]"上海市機械制造工藝研究所.金相分析技術(shù)[M].上海:上?？茖W(xué)技術(shù)文獻出版社，1987. 386- - 397.痕跡產(chǎn)生的原因也就基本清楚了,通過模擬再現(xiàn)試[3]楊偉旗. 高速鋼原材料檢驗方法探討[J].理化檢驗物驗,既完善了分析過程,又驗證了分析結(jié)論。(待續(xù))理分冊，2002 , 38(7) :300- -302.218.