引言：

● 材料按其性能與用途，一般分為結(jié)構(gòu)材料和功能材料,。結(jié)構(gòu)材料是以力學(xué)性能為主要特征,；功能材料是以物理、化學(xué)等性能為主要特征,。二者性能的不同是由微觀結(jié)構(gòu)和元素屬性所決定,。

● 材料的失效行為主要取決于微觀結(jié)構(gòu)和宏觀形態(tài)的變化。確定不同材料的失效模式,、失效機(jī)理,、失效缺陷與失效起因的相互關(guān)系，是失效分析學(xué)科的核心內(nèi)容,。

失效含義：

國(guó)標(biāo)GB3187-82《可靠性基本名詞術(shù)語及定義》

的定義

失效 ：“產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能,，對(duì)可修復(fù)產(chǎn)品通常稱為故障?！?/p>

◆ 《材料大辭典》的定義*

失效,，又稱復(fù)合材料的破壞，指復(fù)合材料在經(jīng)過某些物理,、化學(xué)過程后（如載荷作用,、材料老化、溫度和濕度變化等）發(fā)生了尺寸,、形狀,、性能的變化而喪失了規(guī)定的功能。

◆ 《美國(guó)金屬學(xué)會(huì)手冊(cè)》的定義*

按照 《ASM Handbook 》的定義,，服役的任何

構(gòu)件出現(xiàn)以下三種狀態(tài)之一時(shí)即為失效：

（1）完全不能修復(fù)時(shí),；

（2）仍可以使用，但不能滿意地達(dá)到規(guī)定的功能時(shí),；

（3）受到嚴(yán)重?fù)p傷而不能繼續(xù)安全可靠地使用時(shí),。

失效分析的關(guān)系

● 失效分析是要明確失效模式,、失效缺陷、失效機(jī)理

與失效起因的相互關(guān)系

◆ 失效模式（failure mode）

失效模式是指構(gòu)件失效后的外觀表現(xiàn)形式,，即可觀

察到的并可測(cè)量的失效的宏觀特征,。比如，脆性斷裂,、

疲勞開裂 ,、接觸磨損等。

有五種：

(1) 斷裂 (fracture)

(2) 腐蝕 (corrosion)

(3) 磨損 (wear)

(4) 變形 (distortion)

(5) 衰減 (attenuation) : 微結(jié)構(gòu)隨時(shí)間而漸變?nèi)趸?/p>

金屬材料的失效模式與失效機(jī)理的關(guān)系

◆ 失效缺陷（failure defect）

失效缺陷是導(dǎo)致構(gòu)件損壞 (損傷)的實(shí)際缺陷,。比如,，裂紋、腐蝕坑,、磨損帶,、分層等。

◆ 失效機(jī)理（failure mechanism）

失效機(jī)理是致使構(gòu)件失效所發(fā)生的物理,、化學(xué)的變化過程,，即失效的微觀機(jī)制。例如,，腐蝕模式下的電偶腐蝕,、縫隙腐蝕、晶界腐蝕,、點(diǎn)蝕,，等等。

◆ 失效起因（failure cause ）

失效起因是促使失效機(jī)理起作用的關(guān)鍵因素,。比如,，超載、疲勞載荷,、電極電位差,、微動(dòng)摩擦等。

● 泰坦尼克號(hào)的失效模式,、機(jī)理,、缺陷與起因的關(guān)系

泰坦尼克號(hào)是20世紀(jì)初世界上最大的豪華游輪。

它長(zhǎng)260m,、寬28m,、高51m、噸位46328t,，可載客3000多人,，總耗資7500萬英鎊。船體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)采用了雙殼層和十六個(gè)相互隔離的水密艙等安全措施,，因而當(dāng)時(shí)被認(rèn)為是一艘“永不沉沒的”巨輪,。

它的處女航是在1912年4月10日從英國(guó)南安普頓出發(fā)前往紐約的，航速為22節(jié),，但4月14日晚11:40分在北大西洋與一塊漂浮的大冰山相撞,，由于船體左側(cè)六個(gè)水密艙全部破裂進(jìn)水，2小時(shí)47分后就沉沒了,。

船上共有2208人,，僅705人獲救，1503人葬生海底,，這是迄今為止世界上發(fā)生的最大的海事事故,。

● 事故調(diào)查結(jié)論

在對(duì)泰坦尼克號(hào)船板備用件進(jìn)行材料性能檢驗(yàn)后,，發(fā)現(xiàn)存在大量的MnS夾雜物, 縱橫向韌脆轉(zhuǎn)變溫度分別是 320C,、560C , 而當(dāng)時(shí)的水溫是 -20C。

可以推定, 泰坦尼克號(hào)與冰山相撞時(shí)的失效特征是脆性斷裂 (失效模式),，這是因?yàn)榇搴豌T釘都含有大量的MnS夾雜物及其他超標(biāo)有害元素P等,。船板在冰山的撞擊下夾雜物處就引發(fā)了許多裂紋 (失效缺陷)，這些裂紋隨后在海浪的持續(xù)作用下發(fā)生了快速疲勞擴(kuò)展 (失效機(jī)理) ,，最終導(dǎo)致了船體的斷裂,。

因此，泰坦尼克號(hào)的失效是由船板和鉚釘內(nèi)大量的MnS 夾雜物和冰山撞擊力的相互作用下發(fā)生的疲勞脆性斷裂而引起的 (失效起因),。

失效分析的策略

● 產(chǎn)品質(zhì)量管理法

◆“五要素法”

“人,、機(jī)、料,、法,、環(huán)” （4M1E分析法）

◆“六要素法”

“人、機(jī),、料,、法、環(huán),、測(cè)”（5M1E分析法）

● 構(gòu)件的失效分析

分析人員不僅要有材料,、工藝、結(jié)構(gòu),、力學(xué),、 控制等專業(yè)知識(shí)，還要懂得安裝,、運(yùn)行,、維護(hù)、環(huán)境等工程知識(shí)，同時(shí)熟悉標(biāo)準(zhǔn),、規(guī)范,、規(guī)程，以及包括心理學(xué)在內(nèi)的一些管理知識(shí),。

● 失效的影響因素

(1) 材料選用不適

(2) 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)欠妥

(3) 制造質(zhì)量一般

(4) 安裝方式不當(dāng)

(5) 檢測(cè)方法常規(guī)

(6) 人員操作有誤

(7) 維護(hù)過程疏漏

(8) 工況介質(zhì)復(fù)雜

(9) 外部環(huán)境變化

(10) 失效機(jī)理不明

(11) 防護(hù)措施簡(jiǎn)單

(12) 管理制度不嚴(yán)

● 失效分析的完整

從技術(shù)角度出發(fā),，一個(gè)完整的失效分析應(yīng)該考慮八個(gè)方面的影響因素：

(1) 設(shè)計(jì) (design)

(2) 材料 (material)

(3) 制造 (fabrication)

(4) 安裝 (installation)

(5) 檢驗(yàn) (inspection）

(6) 操作 (operation)

(7) 維護(hù) (maintenance)

(8) 環(huán)境 (environment)

失效分析的魚骨圖

● 失效分析是事后分析，最好的方法應(yīng)是事前分析, 比如, FMEA (Failure Modes and Effect Analysis）,、 RBI (Risk-based Inspection), etc.

變形失效

彈性變形失效----彈性變形過量,，雖表面未發(fā)現(xiàn)任何損傷痕跡，但彈性性能已達(dá)不到原設(shè)計(jì)要求,。例如汽車彈簧,，經(jīng)長(zhǎng)期使用后松弛性能降低導(dǎo)致不能起緩沖作用塑性變形失效

塑性變形失效----變形量超過極限，不能再使用,。經(jīng)長(zhǎng)期運(yùn)轉(zhuǎn)后的汽輪機(jī)葉片逐漸伸長(zhǎng)發(fā)生塑性變形而與殼體相接觸,，使汽輪機(jī)不能正常運(yùn)行。

蠕變變形失效----零件長(zhǎng)期在高溫和應(yīng)力作用下,，即使小于屈服應(yīng)力也會(huì)緩慢地產(chǎn)生塑性變形,，這種現(xiàn)象稱為蠕變，當(dāng)蠕變變形量超過規(guī)定數(shù)值后就會(huì)失效,，甚至產(chǎn)生蠕變斷裂,。

高溫松弛失效----零件在高溫下失去彈性功能而導(dǎo)致失效。例如蒸汽輪機(jī)的高溫緊固螺栓經(jīng)長(zhǎng)期使用發(fā)生松弛,，使蒸汽輪機(jī)不能正常工作,。

斷裂失效----塑性斷裂

塑性斷裂失效：當(dāng)構(gòu)件所承受的實(shí)際應(yīng)力大于材料的屈服強(qiáng)度時(shí)，將產(chǎn)生塑性變形,，應(yīng)力進(jìn)一步增大,，就會(huì)產(chǎn)生斷裂，稱為塑性斷裂失效,。

塑性斷裂的特征：在裂紋或斷口附近有宏觀塑性變形,，或者在塑性變形處有裂紋出現(xiàn)；塑性斷裂的一種典型斷口是抗拉試樣的杯錐狀斷口,，杯部呈纖維狀特征,，錐部呈淺灰色的光滑區(qū)，并與杯部或45o角,。塑性斷口微觀形態(tài)主要為韌窩,。根據(jù)韌窩的形狀可分析斷裂時(shí)所受應(yīng)力的性質(zhì)，如韌窩為等軸,，受正應(yīng)力作用,，如杯錐狀斷口的杯部。韌窩為拉長(zhǎng)呈方向性，受剪切應(yīng)力或撕裂應(yīng)力作用,，如杯錐狀斷口的錐部,。韌窩的大小與形核數(shù)量、材料韌性,、溫度,、應(yīng)變速率有關(guān)；材料韌性好,、夾雜或第二相粒子少,、溫度高、應(yīng)變速率慢則韌窩尺寸大,；反之則韌窩尺寸小,。

塑性斷裂的原因：通常情況下塑性斷裂是由于外應(yīng)力超過材料的屈服強(qiáng)度所致(材料強(qiáng)度過低或超載)。

韌窩-變形斷面SEM

斷裂失效---脆性斷裂

脆性斷裂是指斷裂前幾乎不產(chǎn)生顯著的塑性變形

按裂紋擴(kuò)展的路徑分為穿晶脆性斷裂和沿晶脆性斷裂,。

解理斷裂----解理斷裂是穿晶脆斷的一種常見的主要斷裂方式,。解理斷裂是指在一定的條件下，金屬因受拉應(yīng)力作用而沿某些特定的結(jié)晶學(xué)平面發(fā)生分離,。鐵素體鋼的解理面為{100}晶面,。

準(zhǔn)解理-脆性斷面SEM

斷裂失效--脆性斷裂---沿晶脆性斷裂

裂紋沿晶粒界面擴(kuò)展而造成金屬材料的脆斷稱為沿晶脆性斷裂,。通常晶界是強(qiáng)化的因素,，即晶界的鍵合力高于晶內(nèi)，只有在晶界被弱化時(shí)才會(huì)產(chǎn)生沿晶斷裂,。

晶界弱化的基本原因----材料本身或環(huán)境介質(zhì)或高溫的作用

*晶界沉淀相造成的沿晶斷裂----由晶界的夾雜和第二相沉淀所造成的,，晶界上的析出相通常是不連續(xù)的，呈球狀,、棒狀或樹枝狀,，晶界沉淀相越多，斷裂應(yīng)力越低

*雜質(zhì)元素在晶界偏聚造成沿晶脆斷----如Ge,、Sn,、N、P,、As,、Sb、Bi,、S,、Se、Te等,。低合金鋼的第二類回火脆性（合金鋼在回火后慢冷或在375~560oC等溫產(chǎn)生晶界脆化和沿晶斷裂）,。

*環(huán)境介質(zhì)侵蝕而引起的沿晶斷裂----高強(qiáng)度鋼的氫脆、應(yīng)力腐蝕

*高溫下的沿晶斷裂。

斷裂失效----脆性斷裂失效---疲勞斷裂

機(jī)械零件在循環(huán)交變應(yīng)力的作用下引起的斷裂稱為疲勞斷裂,。在機(jī)械構(gòu)件的斷裂失效中,，疲勞斷裂所占的比例最高，達(dá)70%以上,。

疲勞斷裂的類型----高周疲勞,、低周疲勞、熱疲勞,、接觸疲勞,、腐蝕疲勞、微振疲勞,、蠕變疲勞等,。

疲勞方式

輪胎花樣

韌窩帶

二次裂紋帶

產(chǎn)生疲勞斷裂的常見原因

材料強(qiáng)度不足引起的疲勞斷裂；

零件結(jié)構(gòu)上有尖角,、鍵槽,、圓角等應(yīng)力集中區(qū)；

夾雜,、疏松,、氣孔、微裂紋等材料缺陷,；

表面缺陷,，如凹坑、折疊,、加工刀痕,；

熱處理缺陷，如表面脫碳,、過熱

疲勞斷口的宏觀特征

疲勞輝紋

豪克能技術(shù)以車代磨增強(qiáng)疲勞強(qiáng)度