金属断裂失效分析——实验研究！

失效形式有以下四种形式：

(1)变形失效。a弹性变形失效、b塑性变形失效

(2)断裂失效。a韧性断裂失效、b脆性断裂失效、c疲劳断裂失效

(3)腐蚀失效。a局部(点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳)、b全面(均匀、不均匀) 

(4)磨损失效。

根据失效分析的目的和要求，一般还要进行实验研究。本文主要围绕实验研究讲以下几个方面的检验。

1、宏观检验

用肉眼或放大镜检验金属表面，纵横断面、断口上的各种组织和缺陷的方法叫做宏观检验。通过宏观检验能揭示金属的全貌，显示其组织的不均匀性和各种缺陷的形态、分布，对颜色、腐蚀、断裂裂纹的萌生位置及裂纹的走向等都能迅速而准确地识别出来。进行断口的宏观分析。能得到断裂表面整体的概貌特征，并在一定程度上了解破坏的原因。可确定失效件断裂的裂纹产生位置，裂纹的扩展方向，判别断裂的类型，构件所承受的应力类型，环境介质、温度对构件断裂的影响，变形程度及磨损情况。

常用的宏观检验方法有酸浸试验、塔形试验以及硫印试验等。

(1 )酸浸试验

酸浸试样制备时取样部位及数量按有关标准进行,并严防因温度升高而引起组织变化。切取试样用锯、剪、气割和砂轮切割等方式；当用气割试样时，必须将热影响区除去，以免影响检验结果。试样检验面可用车、刨、磨和金相砂纸磨制(02号砂纸)，使表面粗糙度不低于3.2，并用汽油、酒精、苯等清洗去油。

酸浸试验方法有三种。

第一种是热酸浸蚀试验法。

主要用于表面缺陷、夹杂物、偏析区等被浸蚀剂有选择性地浸蚀，表现出可看得见的浸蚀特征。酸蚀试验效果决定于浸蚀剂成分;浸蚀的温度;浸蚀时间及浸蚀面的光洁度。

第二种是冷酸浸蚀试验法。

冷酸浸蚀试验法是检查钢的宏观组织和缺陷的一种简易方法。冷酸浸蚀是采用室温下的酸溶液浸蚀和擦蚀样面，以显示试样的缺陷。通常，对于不使用热酸浸蚀的钢材或工件(例如工件已加工好，不便切开，又不得损坏工件的表面粗糙度)，以及有些组织缺陷用热酸不易显现，有些奥氏体不锈钢用热盐酸不易腐蚀时，均可用冷酸浸蚀法进行试验。

第三种电解酸蚀法。

电解酸蚀法，就是用15%~20%(容积比)工业盐酸水溶液电解试样表面的试验方法。这种方法的优点是可以用较稀(15%~20%)的盐酸水溶液在室温下进行浸蚀，可以缩短腐蚀时间，大大地改善劳动条件和卫生环境。此外，因电解腐蚀后盐酸的性质改变不大，一般可循环使用，节约酸液，用电解法显示试样的宏观组织及缺陷比热酸浸蚀法更清晰。

(2)塔形试验

塔形试验是用以检验发纹不同深度的分布的一种特殊试验:由于检验的试样制成“塔”的形状即三级阶梯形，故通常称为塔形试验。

塔形试验一般均分为三个阶梯。试样加工的要求、基本与热酸浸试样相同。试样检验前，也要进行热酸，浸，其酸浸液、酸浸规范基本上与热酸浸试验相同，只是一.般浸蚀程度略轻，否则会对其后的检验和鉴别造成不利影响。酸浸后，在各个阶梯上会出现一些具有一定长度和一定深度的细小裂纹，即发纹。最后用肉眼或不大于10倍的放大镜进行检查和鉴别。发纹是沿轧制方向分布的，具有一定长度和深度的细小裂纹。一般由于该裂纹很窄，光线射不到底，故只能看到有深度的黑色线条。顺光时，个别较宽的发纹，可以看到灰暗色的底部。

(3)硫印试验

硫在钢中以硫化物的形式存在(FeS、 MnS)，硫化铁与铁共晶温度为989°C，呈网状分布于晶界，在热压力加工时极易产生“热脆"现象，直接影响钢材质量。硫印的目的就是要显示硫在钢中的分布和偏析程度。硫印就是利用稀硫酸与钢中的硫发生反应，生成硫化氢气体。硫化氢再与印相纸乳剂层中的溴化银作用，在印相纸上生成棕色硫化银沉淀。根据硫化银棕色斑点的数量、大小、色泽深浅及分布的均匀性，来评定碳钢、低中合金钢的质量。

宏观检验的方法有多种，各自有它们的特点及适用范围。

酸浸试验对疏松、偏析、流线、裂纹等最适用；塔形发纹检验一般用 于有特殊用途的材料或高级优质材料上，用来检验它们在各个部位上的发纹多少和分布；硫印试验是用来测定钢锭或钢材上硫的分布，同时也可以间接地对其他元素的分布概况和趋势进行推测和估计。各种方法在使用上各有侧重，可单独使用也可同时并用，相互补充，以期达到准确测试的目的。

2、微观检验

宏观检验能够获得很多信息，但要了解更多的细节和情况还必须再进行微观观察。

通过对断口的微观分析,除可以进一步澄清断裂的途径、断裂的性质，环境介质及温度对断裂的影响外，还能进一步确定断裂的原因及其断裂机理等详细情况。对断口进行显微分析时，可使用光学显微镜、透射电镜、扫描电镜、俄歇电子能谱仪、离子探针、X射线衍射仪等仪器来研究。

3、金相检验

金相检验是一种常规的实验分析方法。它在失效分析中能提供被检材料的大概种类和组织状况。从检验出的显散组织来推断或证实被检材料制造过程中经历的工艺过程，以及执行这些工艺是否属正常，同时还可提供失效件在发生事故时是否发生塑性变形等情况，以及失效件在使用过程中无意造成的热处理效果等。反映出失效件在工作条件下发生的腐蚀(大致可以定性和对腐蚀程度的半定量)、磨损、氧化和严重的表面加工硬化等，并可初步确定其程度。从失效件上存在的裂纹，通过光学金相，大致可看出裂纹的发生及延伸分布的特征以及裂纹两侧的显微组织，来判断裂纹的性质，从而可提供失效件裂纹的产生原因;夹杂物的类型、级别及分布;相的类型、大小及分布。

4、无损检验

在进行断裂部件的性能测定时，需从断裂件上取样，这是有损检验。为了对原有构件的缺陷及裂纹分布情况做一次了解，应该首先进行无损探伤。

无损探伤有了解表面裂纹的着色探伤、磁粉探伤、探测内部缺陷及裂纹分布的超声探伤、X光探伤、涡流探伤等方法。

超声波探测深度可达几米，特别适用于检查零件内部的裂纹、气孔、夹渣、砂眼、疏松、未焊透等，能准确测出缺陷的位置、大小和形状。但是，它不能用于奥氏体钢的铸件和焊缝等粗晶材料和复杂形状或表面粗糙的工件检测。近年来，超声波广泛用来检验金属材料的质量，并逐步成为金属材料预检或正式检验的手段。

涡流探伤能对表面或表皮下的缺陷及全部导电材料进行检验，可实现自动记录和高速检验，适于连续监测，但难以确定缺陷的种类。X射线探伤能够探查材料内部的变化和体积型缺陷，如气孔、夹渣、缩孔、疏松等，能提供永久性的照片记录。但是，射线照相方法，不能用于检测锻件和型材中的缺陷。

磁粉探伤适用于探测铁磁性材料和工件的缺陷，如锻件、焊缝、型材、铸件等，并确定缺陷的位置，大小和形状，但难以确定缺陷的深度。该方法不适用于探测非铁磁性材料，如奥氏体钢、铜、铝等缺陷。

渗透探伤的应用范围更加广泛,可以用于探测所有金属材料和致密性非金属材料的缺陷，能确定缺陷的位置，大小和形状，但不能确定缺陷的深度。该方法不能用于探测疏松的多孔性材料的缺陷。

5、化学成分分析

在失效分析中,化学成分分析是必不可少的。它能为失效分析提供有用的信息。如由于选材错误所造成的失效，只需要用化学成分分析就能得到结果。

利用X射线和荧光分析、能谱分析、俄歇分析、电子探针、离子探针、激光探针等方法，对金属的表面或内部的成分进行分析和研究。在进行化学我分分析时，宏观化学成分分析最常用，对于特殊情况，可采用微区化学成分分析。

X射线分析技术是失效分析的有效技术之一。粉末照相法能识别基体金属腐蚀产物，耐火材料和矿物中的各种相。用X射线衍射和荧光分析能对化学成分作定性和定量分析，能测定基体和析出的相以及它们间的取向、电化学萃取的第二相粒子、表面沉淀和腐蚀产物的成分和结构。X射线衍射法还能对材料的晶格参数、晶体缺陷、残余内应力进行测量。然而，由于它不是像显微镜那样直观可见的观察，也无法把形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合起来，其分析样品的最小区域仅在毫米数量级，不能进行微米及纳米级的微区选择分析。

下表是常用实验分析方法的性能与用途比较。

6、力学性能测定

对零部件进行失效分析常要测定材料的硬度和力学性能。由于硬度的测量简便易行，对失效分析常常是最有用的手段之一，可用于估计金属材料的拉伸强度，估计热处理是否合乎质量要求，检验由于过热、脱碳、渗碳、渗氮和加工硬化等所引起的软化和硬化等。

力学性能测定常要进行金属的拉伸试验及冲击试验，以便于比较。有时还需要做一些比使用温度稍高或稍低的力学性能测量,以便对零部件在服役中是否有超温情况作出判断。此外还需考虑特殊性能测定，如疲劳试验、应力腐蚀试验、韧脆转变温度测定、断裂韧性测定等。

在钢材的初步检验中,用简单的弯曲试验就能查明材料是韧性还是脆性的。硬度测量能指示钢材的抗拉强度。但对铸铁和大多数非铁金属材料还不能用弯曲和硬度测量来评估，而只能用拉伸来测量,这是因为他们还没有建立起硬度与拉伸强度的对应关系。一般非铁金属如铝、铜及其合金的塑性较大，用简单弯曲不能反映脆性或塑性的程度。与说明书的数据比较时，应注意到试样取向与材料加工方向之间的关系。通常，横向试样的拉伸强度比纵向的小些。

一般来说，由于拉伸强度不足而引起损坏的例子并不多见。因此，力学性能测试主要起到复检的作用和确定排除力学性能引起损坏的顾虑。

7断裂力学分析

失效分析应用断裂力学测量的目的，在于通过断裂韧性的测试和分析,确定一个部件安全使用所能容纳的裂纹尺寸，以及确定含有裂纹部件的寿命。前者判断部件成品材料的断裂韧度是否合理，如不合理必须设法提高该部件的断裂韧度，以免同样的失效重复发生;后者在于判断现有裂纹的部件还能使用多久，而不至于误判它过早的退役。断裂力学是从有韧口的实际情况出发来考虑切口效应和裂纹扩展的速率。

目前常用的评价断裂韧性的方法有：平面应变断裂韧度(K1c) 测试、动态撕裂试验(DT) 、J积分断裂判据(J1c) 、裂纹张开位移(COD)测试和动态断裂韧度(K1d) 测试。

END