常规分析方法介绍

生产实际中对于一般零部件的失效分析常按照以下程序进行操作。

1.现场了解情况并收集背景材料

尽可能地详细了解失效零部件的历史资料，如零部件设计、使用情况、失效的数量、是第一次设计使用就出现问题，还是原来使用没有出现问题，仅是本次出现问题。并且尽可能对失效现场情况进行详细拍照。

例如，很多情况下制造方都怀疑是由于原材料有冶金缺陷、夹杂物过多等内部质量问题造成零部件失效。这时可以通过了解失效零件的数量来进行初步的判断。如果一批原材料制造的同种零件中，仅少数几件发生破坏，一般可初步判断与原材料冶金质量关系不大。因为如果这批原材料存在严重质量问题（如成分不对、大量冶金缺陷），一般是会分布在整批材料中，缺陷仅集中在材料某一个部位的概率并不大，所以应该有很多零件均会受到原材料的影响，造成发生破坏零件的数量就不会太少。

2.肉眼或放大镜详细观察断裂现象

观察失效零部件的总体形貌并做详细记录。如果是断裂零部件，则要详细观察断口、断裂位置、断裂位置上是否有特征（如在台阶部位等）、断裂位置与服役状态下应力的关系等。

【例1-7】　断裂位置与材料内部缺陷的关系。

某大型设备中安装了一批固定零部件的螺栓，在使用过程中发生断裂，一共断裂了9 件。通过观察发现螺栓发生断裂的位置基本一致，均在距离螺帽顶端一定距离的部位，如图1-7 所示。

根据这个现象初步判断，螺栓的断裂不大可能是材料内部的组织缺陷问题，这是因为不可能每颗螺栓中的材料缺陷均集中在同一个位置上。因此，断裂位置的确认对于分析原因、设计试验方案有重要的启示作用。

图1-7　将断裂成两段的两颗螺栓断口复原的螺栓形状照片（测定断裂位置基本相同）

3.了解零部件在整个机构中的作用及受力分析

零部件发生失效往往是在力作用下发生的，因此应该尽可能根据零件的形状与服役条件对零部件受力情况进行分析，至少要定性分析。目的是确定零件的受力状态，判断零件是在何种应力作用下失效的。首先需要了解零部件在机构中的作用。如果失效不是在零件受力最大的部位，就有理由怀疑材料的组织可能存在问题，或者在服役过程中受到不应有的外力作用。对于一些大型构件破坏往往需要采用有限元等方法对构件各个部位的受力情况进行定量分析，将各个部位受到的应力值与材料性能指标进行对比分析，从中得到关于零部件失效原因的重要信息。在一些情况下定量分析可以直接获得失效原因，即使不能获得原因，对后面的分析也有直接的指导作用。在很多情况下，可以通过断口宏观分析、断裂位置分析，对零部件的受力情况得到定性概念。

【例1-8】　根据图1-7 中断裂螺栓的变形情况进行受力分析。

对于螺栓类标准件而言，一般情况下是按照仅受拉应力进行设计的。但是从图1-7 可见，将螺栓断口对合后，螺栓发生弯曲变形。所以有理由认为在本案例中螺栓在服役状态下，螺栓除受到拉应力作用，还受到了弯曲载荷。至于弯曲载荷是一次性作用还是交变载荷，还需要作进一步分析。

【例1-9】　根据断口进行受力分析。(www.xing528.com)

大型设备中M30 螺栓发生断裂，断裂位置与断口形貌如图1-8 所示。

图1-8　M30 螺栓断裂情况

由图1-8 可见，螺栓断裂后并没有发生弯曲变形，说明螺栓在服役状态下受到的拉应力基本是垂直于断口的，即作用力是平行螺栓轴线的。这种作用力是一次性作用力还是交变载荷？从断口上可以得到初步判断。如果是一次性作用力，螺栓断裂应该是拉伸过载断裂，断口具有拉伸过载断裂的特征；如果是交变载荷，则会有疲劳断裂的特征（见第2 章、第3 章）。根据宏观断口分析原理，该断口形貌与疲劳断裂断口特征接近，所以初步判断螺栓在服役条件下受到的是疲劳载荷。断口分析仅是初步分析，必须要进一步了解螺栓在设备中的作用与设备运行过程中，螺栓可能受到的各类应力。这就需要设计人员密切配合进行深入分析。

由上述例子可见，断裂现象宏观分析、断口宏观形貌分析对于失效原因的判断，具有不可替代的重要作用，在失效分析时务必充分注意。这些分析技能应该是失效分析的基本技能。

4.材料化学成分分析

目的是：在认定选材合理的前提下，判断实际材料成分与标准要求的成分是否吻合。一般来说，如果原材料化学成分不符合技术要求，往往认为是失效的主要原因，供货商要承担责任。

5.对失效的零部件进行性能测定

目的是：与要求的性能指标进行对照，判断是否达到设计要求。在可能的情况下应尽量在出现问题的部位附近截取样品（如断口附近、裂纹附近等）。问题是选择何种性能进行测试？测试的依据是什么？主要根据断裂机制进行确定。如果判断其断裂属于脆性断裂，一般要测定零部件的冲击性能，判断是否由于材料韧性低造成断裂？如果判断其断裂属于疲劳断裂，就需要测定零部件的疲劳性能。

6.金相组织分析

目的是：判断是否与要求的组织吻合，有时要配合扫描电镜甚至透射电镜进行分析。这一步是非常关键的一步，也往往是最难的一步，许多初学者由于没有掌握正确的分析方法及经验不足，很难对金相组织进行正确的判断。金相组织分析属于失效分析必备的基础知识，在第2 章中将专门介绍。

7.断口微观形貌分析与组织的电镜分析

采用扫描电镜对断口进行分析，目的是根据断口上显示的微观形貌，进一步明确断裂的机理。有时采用光学显微镜难以确定材料内部微观组织，此时可以采用扫描电镜甚至透射电镜对材料微观组织进行分析。

8.在模拟条件下进行失效模拟实验

目的是：对失效原因及断裂机理进行验证。在一般失效分析中不会进行。

在制定试验方案时务必明确每一步的目的，应该说明的是生产实践中很多失效分析并不是均要完整地进行上述全部步骤，有些情况下仅做其中的几个步骤就可以判断出失效的原因。但是在一般失效分析中，1、2、3、5 这几个步骤往往是必须要做的。