1.用法不当,构件在非设计条件下运行。这是失效的-个普遍原因。要确 立这点,需要先明确构件的组装与设计是正确的,这才能使“用法不当”成为 叮疑的原因 2.组装错误及不恰当的维护。组装错误包含这些因素,如少了一个螺栓或 釆用不正确的润滑剂。设备维护的范围从油漆表面到清理及润滑,对此不重视会 导致失效。同时也需指出,有的失效是因为系统中其他一些零件工作不正常而引 起的,这样使此构件处于非设计的条件下导致失效。因此某构件的失效可能会指 出系统中其他地方所存在的问题。 3.设计错误。这是失效的很普遍的一个原因。可根据设计程序列出以下几条 a.零件的尺寸与形状。这些通常决定于应力分析或几何约束。 b.材料。这关系到化学成分及为获得所要求的性能而必需的处理方法(例 如热处理) c.性能ε这是有关应力分析的性能,但是其他性能如抗腐蚀性能也必须加 以 考虑 有意义的是要考察关于失效原因的资料并与以上所列的进行比较。 1.材料选择不当。表1.1说明材料选择不当为一通病 2.不恰当的维护。表1.2说明不恰当的维护是航空构件失效的主要问题。 襄LI在一些工程工业中调查的 襄L.2航空零件失效原因的比例 失效原因的比例 (实验室数据) 起 因 (% 材料选择不恰当 38保养不恰当 安装错误 忧城设计错误 设计缺陷 未预见的操作条件 不正确的维修损坏 760 环境控制不够充分 不恰当的或缺少监测与质量控制 材料缺陷 材料混杂 未定原因 注:引自: Davies 注:引自; Davies。 3.错误的设计考虑。失效的原因为错误的设计考虑或错误的使用材料,可 分为下列几种情况:(引自 Dolan12) a.韧性失效(过度变形,弹性的或塑性的;撕裂或剪切断裂)。 h脆性断裂(由于裂缝或临界尺寸提升了应力)。 c.疲劳失效(载荷循环变化、应变循环变化、温度循环变化、腐蚀疲劳、 滚动接触疲劳及磨损疲劳)。 d.高温失效(蠕变、氧化、局部熔化及翘曲)
e.静态延时断裂(氢脆、腐蚀脆性、环境因素促进的裂纹的缓慢生长)。 f.设计中固有的过度严重的应力提升 g.不充分的应力分析,或者在一个复杂零件中不能做到合理的应力计算。 h.错误地在静态抗拉性能的基础上进行设计,并以此代替用以衡量材料对 各个可能失效模式所具有的抗力的重要性能。 4.错误的工艺过程。由错误的工艺过程而导致的失效原因包括以下几条 (引自 Dolan2) a.由错误的成分而产生的缺陷(夹杂物、脆性杂质、错误的材料)。 b.最初产生在铸锭及铸造过程中的缺陷(偏析、不致密、疏松、缩孔及非 金属夹杂物) 加工产生的缺陷(皱皮、裂缝、破碎开裂、热裂、起皮及过度的局部塑 性变形) d.由机加工、磨削或锻造所引起的不正规物及错误(擦伤、过烧、撕裂、 飞边、裂纹、脆性)。 e.由焊接引起的缺陷(疏松、咬边、开裂、残余应力、未焊透、焊道下开 裂、热影响区) f.由热处理引起的不正常现象(过热、过烧、淬火裂纹、晶粒粗大、过量 的残留奥氏体、脱碳及偏析)。 g由表面淬火引起的缺陷(晶间碳化物、软心、错误的热循环) h.不小心的组装(配合件的错误匹配、带入灰尘或磨料、残余应力、零件 擦伤或损坏) i.由于横向性能差而在锻件中出现分离线的失效现象。 5.服役过程中质量恶化。在服役条件下由于质量恶化而产生失效的原因包 括以下几条(引自 Dolan2) a.过载或未预见的加载条件。 h.磨损(磨蚀、因过度磨损而咬住、粘住、擦伤、气蚀)。 C.腐蚀(包括化学接触、应力腐蚀、腐蚀疲劳、脱锌、铸铁石墨化、大气 污染) d不够充分的或非直接的维护或不适当的修理(例如焊接、磨削、冲孔、 冷校直)。 e.剥蚀,由化学接触、液态金属接触或高温下电镀所致。 E射线损害(有时必须去除试验所留下的污染,它可能毁坏失效原因的要 害性的证据);随时间、温度、环境与剂量而变化。 g偶然性条件(如不正常的操作温度、剧烈的振动、声振、冲击或不可预 见的碰撞、烧蚀、热冲击)
绝大多数的失效涉及构件的断裂,因此绝大多数的失效分析涉及到考察机槭 的加载情况在本书中,术语“断裂模式”用以反映有关载荷的类型,例如拉 伸过载、疲劳或驕变,在第4章屮沦述。术语“断裂杋理”用以定义材料断裂 的微观进程的类型。断裂机理涉及到的进程如解理或空泂聚集在第3章中进行详 细论述:不同类型的断裂模式所出现的频率在表1.3及表1.4中用数据予以说 表13在一些工程工业中调查 表1.4航空寥件失效 的失效原因的比例 原因的比例 9疲劳 挽性断裂 25过载 应力腐蚀 高温腐蚀 力窝蚀疲劳/氢脆 763 过度磨拟 高温氧化 磨锔、擦伤、冲弱 应力破坏 江:引自 Davies 注:引自Daey 进行失效分析的步骤与颜序取决于失效情况。完成此事的一套程序包括下列 1.描述失效情况。必须在文件屮记述失效的历史情况。任何与失效有关的 资料,诸如构件的设计(包括材料与性能),以及此构件的使用情况,这些都很 重要。特别有用的是零件及与之关联的构件的照片。 2.肉眼观察。零件的总的形貌应记入文件。摆弄零件时应小心,不要对断 口表面或其他重要特征造成任何损害 3.机械设计分析(应力分析):当此零件明显地与机械设计有关,是一个重 要的设计构件时,应进行应力分析。这会有助于确定此零件是否具有足够的尺寸 与合适的形状,以及需满足何种力学性能。在某些情况下,此分析可能会确定失 效的原因例如,如果可以确定一零件上的载荷并作出其力学性能的评估,这样 也许就有可能明确此零件对此载荷太小了 4.化学成分设计分析。这一步关系到考察此材料从抗腐蚀的观点是否适用。 5.断冂的显微组织试验。为了确定断裂机理,应对断口表面进行肉眼的 光学显微镜的以及电子显微镜的检查。 6.金相检验。这一步需要进行切片与金相制备。这可能要求有关各方在切 片前取得一致.这一步会有助于明确这些事实,如此零件是否经过正确的热处理
5 7.性能。与设计所对应的性能应予以明确。有时候这是不可能的,因为确 定性能的试验可能会破坏此零件。在力学性能的项目中硬度值特别重要。硬度经 常与许多其他的力学性能相关联(例如屈服强度)。这是一个操作简单的试验 并且通常不会损害零件 8.失效模拟。一个很有用的方法是取一个相同的(虚拟的)零件,使之承 受其在设计中运行的实条件。要做到这点叮能会很费钱,不经常做 对于金属的失效分析方法可以有一个替代法,按照文献 Ryder et al., 以下步骤进行 1.搜集背景资料并选取试样 2.对失效零件进行初步考察(肉眼观察及做记录) 3.无损试验 4.机械试验(包括硬度与韧性试验)。 5.选择、标记、保存及/或清理所有试样。 6.宏观显微镜检査及分析(断口表面、二次裂纹及其他表面现象) 7.微观显微镜检查及分析。 8.选择与制备金相检验切片 9.检查与分析金相检验切片 10.确定失效机理。 l化学分析(试块的、局部的、表面腐蚀产物、镀层或涂料的分析以及显 微探针试验)。 断裂力学分析。 在模拟的服役条件下做试验(特殊试验) 14.分析全部证据,得出正式的结论并写出报告(包括建议书)。 强调获得背景材料的重要性是不会过份的。同时在任何损坏的构件及零件所 在的组件进行结构破坏之前,重要的是要记录下它们的外部特征,通常是用照 片。在可能涉及诉讼的场合,建议全部有关方面要对任何可能发生结构破坏的试 验方法取得一致。测定力学性能在失效分析中常会起突出的作用,这些性能通常 可由硬度测量评佔而得。此过程基本是无损伤的。因此在初期阶段通常考虑测量 硬度。 关键的一步是检查断口表面。通常最好把破坏的构件切割成便于掌据的试 片,也可以制备一个复制品来再现断口表面的结构并在此复制品上进行观察。这 是非常有用的,并且可能是必须的,因为它是无损性的。另一个关键的步骤是微 观组织分析,由此可以得到关于材料的工艺过程与性能的资料。然而,它几乎总 是要求做切片的。 个非常有用的步骤是失效模拟。这时由一个与已破坏的零件相同的零件来
接受模拟服役中发牛的操作过程·但是,此类模拟做起来会太困难或太昂赀 失效分析的个特点是与人打交道、重要的是要能从与失效有关的人员处 获得情况,并能正确地表达出他们的述说 失效分析可能要求的背景资料的类型如图1.1所示、分析的结果通常归结为 份报告,其中包含结果与建议。因此细心地写报告是很重要的。 ·理学 村料的失效分析 机械冶 物理冶金 化学冶金 厅学(静态 动态,材料强度) 流体流动 热交换流休流动 热功力学 图.1材料失效分析所涉及的学科与主题 1.3失效分析的工具 显微组织与断口表面结构的特征在失效分析中起着突出的作用。对此最普通 的工具是肉眼及光学显微镜、扫描电子显微镜及透射电子显微镜。在本节中回顾 它们的使用。不很通用的技术在《金属手册( Metals Handbook)》第9版材料 特性…卷中论述。 1.3,1光学显微镜 光学显微镜(O)用于断口组织试验(与金相分析)。在其中使光线经过 物镜,如果对表面的距离恰当,就会形成此表面的图像。光线经过另一个镜头 H镜),图像经放大后聚焦于眼睛的视网膜。图1.2为-倒置载物台的金相 微镜的总示意图.由光源来的光线经过一聚光镜使之成为平行光束。还有一矫正 小孔以控制光的密度及限制离轴光线。在光束中可置一过滤器以形成单色光束。 光线撞击到一平面玻璃反射器后反射,通过物镜到达试样表面,然后反射回来 形成像。这些光线经过平面玻璃反射器到达前一部的表面镜,到目镜,然后到