浅谈金属构件失效分析方法

李鹏志

（石家庄职业技术学院 机电工程系，河北 石家庄 050081）

各种金属构件都具有一定的功能，如实现规定的机械运动、传递动力或者能量等，如果这些零件失去最初规定的效能，即称之为失效.通过失效分析可判断出产品的失效模式，查找出产品的失效原因及机理，并采取相应的改进和预防措施，防止类似的失效再次发生.失效分析常见的检验方法有：断口形貌分析、扫描电镜分析、机械性能试验、金相组织观察、断裂韧性试验、电子能谱分析等.

1 断口形貌分析

断口是金属破断后获得的一对相互匹配的断裂表面及其外观形貌，断口总是发生在金属组织中最薄弱的环节.通过断口的形貌分析可研究一些断裂的基本问题，如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等.

某机械厂生产的矿用圆环链断口图片如图1所示.圆环链断口由裂纹源区、扩展区和剪切唇区组成.扩展纹直指裂纹源区，可见裂纹从裂纹源区萌生并迅速向周围辐射扩展，形成环状扩展区.由此可以推断，裂纹源区可能存在组织缺陷形成的薄弱点，造成应力集中，萌生裂纹.整个扩展区与裂纹源区连成一片，而且除裂纹源区一小块表面无剪切唇外，其他断面都有剪切唇出现，说明断裂由一个裂纹源扩展而成.

图1 圆环链断口宏观形貌

2 扫描电镜分析

扫描电子显微镜适用于对凹凸不平的表面进行连续放大观察，其电子图像立体感强，分辨本领可达15nm左右，是断裂失效分析的最有效工具之一.

以某农用三轮车变速箱断裂齿轮轴为例，通过扫描电子显微镜（SEM）高倍观察到的其断口形态如图2所示.

图2 齿轮轴微观断口分析

由图2知，断口为河流状穿晶解理和准解理断裂形态［1］，并且未见原始裂纹、沿晶断口、异常夹杂物等缺陷，也未见疲劳断口特征.扩展区均为穿晶解理和准解理断口.扫描电镜分析表明，齿轮轴微观断口为穿晶解理和准解理脆性断口，属于一次快速脆性断裂.

3 金相分析

参照GB／T 226－1991《钢的低倍组织及缺陷酸蚀检验法》［2］，截取不同部位的试片，依次经镶嵌粗磨精磨4%硝酸乙醇溶液侵蚀等制成金相试样，再通过金相显微镜观察剖面的金相组织.有些失效构件只需金相观察就可以查明损坏的原因.例如，由加工工艺、材质缺陷和环境介质等因素所导致的损坏，均可通过金相观察来判别损坏的原因.金相检验的内容包括晶粒的大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、夹杂物、疏松、裂纹、脱碳等.特别应注意晶界处是否有析出相、腐蚀等现象发生.

图3 T91钢管向火侧的金相组织

某电厂已爆管失效的锅炉T91钢管制再热器管道向火侧的金相组织如图3所示.通过金相观察发现，碳化物颗粒整齐地排列于晶界，个别已经相接成串，晶内的碳化物颗粒数量变少，个别碳化物颗粒变得比较粗大.这是因为在高温和压力的长期作用下，碳化物颗粒在晶内粗化长大，一些碳化物颗粒分布于晶界上，而在晶内的碳化物颗粒数量逐渐减少，发生Ostwald熟化.而且，由于在晶界上存在大量的空位、位错等缺陷，溶质的扩散速度远大于晶内，造成碳化物在晶界处不断析出和长大，并成串分布，而这就是裂纹的发生源.

4 化学成分分析

化学成分分析主要是采用光谱法测定金属构件的材料是否符合技术要求，有无用错材料或出现成分偏差.在某些特殊失效分析中，特别是包含着腐蚀和应力腐蚀的失效案例，需要对腐蚀表面的氧化物、沉积物或者腐蚀产物以及与被腐蚀材料接触的介质进行化学分析，以有助于初步确定失效的原因.

在失效分析中，经常使用电子探针、俄歇谱仪、离子探针等仪器来检测失效件的腐蚀产物、表面化学元素组成、化学成分的局部偏析以及微量元素等.

图4为某失效件表面腐蚀产物的光电子能谱分析结果图.可以看出，失效件表面的主要成分为Fe3O4.可以断定，该工件的腐蚀介质中HCl和H2S的含量不大，主要是发生了氧化腐蚀［3］.

图4 某腐蚀失效件表面能谱分析结果

5 人工模拟断口分析

在初步确定失效原因后，应及时进行模拟试验，以验证初步结论的可靠性.

仍以农用三轮车变速箱断裂齿轮轴为例.为进一步分析齿轮轴的断裂机理，在断口附近取材，制成直径5mm的棒状试样，表面预设切口，室温下自表面切口处人工打断.SEM下观察其微观形貌，如图5所示.人工断口与实物断口断裂形态（图2）一致，均为穿晶解理和准解理断裂.

图5 人工模拟断口分析

6 失效分析的其他方法及建议

金属构件失效分析除上述方法外，还有机械性能试验法.我们可以通过硬度试验测定失效件的硬度值，通过拉伸试验测定强度值和塑性值，通过弯曲试验测定抗弯强度，通过摆锤的一次冲击试验测定冲击韧性，以校验该构件的力学性能是否符合技术要求.

在失效分析过程中，要及时对各种检查和试验所得的结果和数据进行综合分析和研究，得出失效的一种或几种主要原因，提出改进和预防措施，防止类似失效的再次发生，并写出失效分析报告.

［1］钟振前，杨 春，朱衍勇，等.齿轮轴断裂失效分析 ［J］.物理测试，2011，29（1）：59－62.

［2］冶金工业信息标准研究院冶金标准化研究所，中国标准出版社第五编辑室.金属材料金相热处理检验方法标准汇编 ［M］.北京：中国标准出版社，2006：98.

［3］赵 敏，康强利，郭兴建，等.腐蚀失效分析方法及展望 ［J］.理化检验：物理分册，2006，42（12）：624－630.