宏观原因导致失效现象的分析

零部件失效现象在工程中并不少见。失效可以一般定义为：零部件不能按照设计要求正确地行使其功能。失效并不一定是断裂，但是工程上最为关注的失效问题往往是断裂问题。进行失效分析的目的：一是确定失效原因，为改进设计、加工过程或改变材料等提供依据；二是为确定事故责任提供科学依据。

目前在机械装备、冶金设备、铁路、机车车辆等领域最重要及最广泛使用的材料仍然是金属材料，零部件发生失效往往是在各类应力作用下发生的。腐蚀失效问题一般有专门论述，本书不包括这部分内容。造成早期失效的常见的宏观原因归结如下：

1.设计问题（零部件几何形状设计问题）

一些失效问题是由设计不当造成的，例如人为的设计缺口。工程中有大量的轴类零件（受弯曲或扭转载荷）、孔类零件，设计者往往将变截面处的圆角半径取值过小，就属这类设计缺点。这种设计在零件进行热处理时，往往容易引起该处有很大残余应力，同时在服役过程中引起应力集中。重新设计就可以避免失效。

【例1-1】　不合理的尖角设计引起失效问题。

重载轴承滚柱如图1-1 所示。材料采用G20Cr2Ni4A，进行深层渗碳＋淬火＋回火处理。在滚柱中部有一个圆孔如图中虚线所示。在圆孔靠近表面处有一个台阶。该台阶在原设计时是90°直角，导致在滚子使用过程中很容易在此处产生裂纹。后来改进设计将此处设计为圆弧过渡，大幅降低了开裂情况。

图1-1　轴承形状图与滚子图

【例1-2】　零部件服役条件判断有误，导致设计依据不符合实际情况。

标准件（如螺栓）是最常见的零部件，在各类机械中大量使用。对于标准件的设计，一些设计者的思路是依据标准件承受的拉应力进行设计，即以材料的强度指标作为设计依据。图1-2 是某典型设备上使用的直径为30 mm 的螺栓断裂的断口宏观照片与金相组织照片。

据了解，设计人员的出发点是保证螺栓有高的强度，依据材料的强度指标进行设计。选择了GCr15 材料进行加工（并没有选择合适的热处理）。从图1-2（a）可见，实际服役条件下螺栓的断裂属于疲劳断裂（如何判断见3.1 节），由于设计思想有误，导致螺栓早期断裂。对于螺栓的设计，许多情况下设计者往往选用高强螺栓。但是在螺栓实际是受到疲劳载荷作用的情况下，并没有达到设计要求。高强度常常有损于工件，使工件出现严重的应力增高区域。

图1-2　螺栓疲劳断口照片

2.设计中选材或热处理选择不当

这类问题实际上也可以归类为设计问题。零部件进行设计时必须进行选材，设计人员的选材思路一般是根据零部件受力分析，但有时是仿照类似产品进行选材与设计，这时往往由于没有考虑使用环境等影响因素出现选材或热处理不当问题。

【例1-3】　高尔夫球头裂纹问题。

高尔夫球运动是一项具有特色魅力的运动，在我国也开始盛行。某公司采用钛合金制作高尔夫球头，出口到国外使用。在使用过程中钛合金的球头出现大量裂纹，如图1-3 所示。

图1-3　钛合金制作的高尔夫球头使用过程中出现大量裂纹照片

球头中的裂纹有些肉眼可见，即使肉眼观察不到的区域，如果取样进行金相分析，在组织内部仍然可以看到大量的显微裂纹，见图 1-3（b）。但是其他公司同类产品却没有出现裂纹问题。后经过分析找出其原因是，在加工过程中没有采用正确的加热加工与热处理工艺。

众所周知，中碳钢（尤其是45 钢）与中碳合金钢进行调质处理是机械设计中常用的典型工艺，然而却存在以下不合理的设计案例。

【例1-4】　45 钢轴类件的不合理设计问题。

设计一根材料为45 钢的轴类零件，如图1-4 所示，采用以下加工路线：

下料→粗加工→调质处理→精加工→产品

图1-4　轴类零件设计图纸

设计图纸从机械制图角度看是非常规范的，加工路线也是合理的。由于热处理变形问题，在进行粗加工时，往往留有较大的加工余量，否则难以达到图纸的公差要求。这种设计成为一些设计者设计轴类件的典型设计图纸。但是从材料学的角度分析，这种设计并不合理。原因在于没有选用合理的热处理工艺。

众所周知，调质是淬火＋高温回火两种热处理工艺的总称。此工艺与正火等工艺比较，可以得到更好的强韧性，所以受到设计者重视，在结构件设计中被大量采用。

但是为了获得良好的强韧性，首要问题是淬火后的组织必须满足要求（获得马氏体组织）。如果淬火后不能得到要求的组织，该工艺不会有良好的强韧性。此处存在一个淬透性问题。

对于一般的45 钢而言，淬透直径仅为10 mm 左右；也就是说对于直径为80 mm 的轴，仅表面很薄的一层淬火后能够得到马氏体组织，心部根本不能满足要求。回火后仅表面可能有良好的强韧性，心部不可能获得。但是在随后的加工过程中表面层又被加工掉。所以这种设计不会达到设计者希望的性能指标，同时存在浪费能源、浪费工时、增加零部件开裂危险等问题。因此，淬透性问题要特别引起设计者的注意。

所以正确的设计应该是，对零部件进行符合实际情况的受力分析，根据可以预测的断裂机理进行全面选材，选择合理的加工、热处理工艺。表1-1 根据失效机理对选材提供一般性判据，对于正确选择材料与热处理有一定指导意义[1]。

表1-1　针对可能的失效机理、载荷类型、应力类型和指定的工作温度进行选材时应用的一般性判据

注：① 摘自“实验力学”1970.1.P.1-14，T.J.Dolan 的文章。② 仅适用于韧性金属。③ 几百万周。④ 与经历的时间密切相关的量。

3.装配中的失误

失效有时是由于在装配中失误造成的。这类失效一般都不会在检验中发现，而且装配好的产品初次工作时也不会出现明显的问题。这类失效往往与机械组装件的转动部分有关，而且在结构件中，有许多由装配失误引起的失效。例如，在铆钉孔的布局中，由于不太合理，在飞机机翼结构件中引起疲劳失效[1]。例1-5 说明由于装配不当引起的断裂问题。(www.xing528.com)

【例1-5】　汽车皮带张紧轮开裂问题。

汽车皮带张紧轮是汽车中一个必备的零部件，由铝合金制造，内部安装一件卷簧，用于张紧汽车皮带使用。某公司制备的张紧轮在使用过程中，用户反映出现了断裂情况，如图1-5所示。

用户怀疑是材料问题造成断裂。根据裂纹形貌分析、受力分析、断裂现象的宏观分析最后断定，断裂是因为在安装卷簧过程中受到不应有的敲击，在铝合金张紧轮内部产生裂纹，导致使用过程中断裂，与材料本身无关。

图1-5　断裂的张紧轮及张紧轮组装后的照片

4.不合理的服役条件

存在两种情况：一种情况是设备在服役过程中受到超过设计要求的载荷作用，或者材料内部存在残余应力没有引起设计者注意，再累加上服役应力造成失效，常见的是一些机动车辆的超载运行引起的事故；另一种情况是在设计时没有考虑到实际工况的某些恶劣环境的影响，例如很多零部件受到交变载荷作用，设计者将材料的抗疲劳性能作为设计主要依据。疲劳裂纹源一般在表面位置，如果实际工况条件下存在腐蚀介质与表面发生作用，将加速裂纹的形成。由于设计者没有考虑到腐蚀作用，即使材料有高的疲劳强度仍然发生断裂情况。

5.材料内部组织不当或缺陷引起失效

例1-6 是关于此方面的案例。

【例1-6】　铁路道岔用高强螺栓断裂分析。

某公司研制一种特制高强螺栓M26，用于紧固铁路上的道岔。根据公司技术人员介绍，他们设计的该高强螺栓材料选用40Cr，采用以下技术路线制造：

下料→粗加工→调质处理→精加工→成品

初期试用共制造了13 根螺栓安装在某车站附近，进行考核试验。过了3 个月左右，在13 根螺栓中有1 根发生了断裂，剩余的12 根螺栓没有问题，还在继续使用。公司有些技术人员认为：由于螺扣处加工精度不够，造成应力集中引起断裂。要求对断裂的螺栓进行分析，说明为什么这根螺栓发生断裂，对断裂螺栓的金相组织进行分析，如图1-6 所示。

由图1-6 可见，螺栓的组织并非调质处理后的组织。也就是说，经过热处理后螺栓没有得到正确的组织，导致性能达不到要求引起断裂。为什么会出现这种情况？对材料技能型分析结果见表1-2，可见断裂螺栓并非40Cr 材料而是类似50 钢。因为淬透性不够，所以淬火时没能得到正确的组织。

图1-6　断裂螺栓金相组织

表1-2　螺栓材料化学成分分析结果（质量%）

应当说明的是：在实际失效零部件中，由于这种原因引起的失效确实时有发生。再加上进行失效分析的技术人员往往是材料专业的技术人员，所以往往一遇到失效问题，就认为一定是材料内部出问题，从这点出发设计试验方案、寻找失效分析原因，但是如前面所论述，材料内部组织结构原因造成的失效，仅仅是引起失效的一种情况。依据寻找内部组织缺陷的思路进行失效分析，并不是科学的分析思路。表1-3～表1-6 统计了造成失效原因的比例[2]。

表1-3　在一些工程工业中调查的失效起因的比例

表1-4　航空零件失效起因的比例（实验室数据）

表1-5　在一些工程工业中调查的失效原因的比例

表1-6　航空零件失效原因的比例

从上述分析及表1-3～表1-6 可得到以下基本概念：

（1）失效分析是一个多学科综合性的技术问题，这就决定了对于一些大型复杂设备的失效问题，为获得正确结论，必须是多学科的技术人员联合在一起对失效原因进行全面分析。

（2）由表1-3 可见，由于材料、热处理问题引起的失效所占比例高达55%，所以对于零部件的失效问题往往是具有材料专业学术背景的技术人员进行分析。但是对于材料专业的技术人员一定要牢记，由于材料与热处理问题引起的失效所占比例虽然较高，但绝不是全部。在进行失效分析时必须要考虑其他可能原因，必须掌握其他相关学科必要的基础知识，必须合理设计试验方案，否则难以获得正确的结果。这些交叉学科知识构成的基础就成为对零部件进行失效分析的人员必须掌握的基础知识。基础知识应包括哪些内容呢？不同学者会有各自的观点，本书根据笔者的认识在第2 章进行了归纳。

（3）对于生产实践中的失效问题大致可以分成零部件的失效与复杂设备的故障。对于这两类不同的失效问题采用的分析方法一般是不同的。对于一般零部件的失效问题往往采用常规实验程序进行，而对于大型复杂设备的故障问题一般要采用系统工程的方法进行分析，其中典型的方法是故障树分析方法。

（4）断裂问题是人们最关注的失效问题，这是本书的重点分析内容。根据表1-3 与表1-4可知，疲劳断裂与腐蚀失效又是失效问题中最引人注意的问题，为突出教学重点，本节以疲劳断裂分析作为教学重点，以此为突破口培养使初学者掌握失效分析技术的技能。至于腐蚀问题一般有专门的课程进行教学，本书不再做论述。

（5）典型机械零部件服役条件与常见失效方式见表1-7[3]。

表1-7　典型机械零部件服役条件与常见失效方式