金屬可靠性檢測失效分析

不同種類的金屬材料和結(jié)構(gòu)件，在載荷、溫度、介質(zhì)等力學(xué)及環(huán)境因素作用下，經(jīng)常以磨損、腐蝕、斷裂、變形等方式失效。為了避免和預(yù)防事故發(fā)生，失效分析對新材料、新工業(yè)、新技術(shù)的發(fā)展。對產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造技術(shù)改進(jìn)起著重要的作用。之前我很少接觸金屬失效的技術(shù)，比較偏重電子產(chǎn)品和元器件的失效分析，在同事的幫助下，建立了對金屬失效分析技術(shù)的初步了解。華測檢測在金屬失效技術(shù)的積累一直走在行業(yè)前面，大家有這方面的問題可以找華測解決。

1、什么是金屬失效分析？

金屬失效分析是指以宏觀表象特征和微觀過程機(jī)理為理論依據(jù)，把失效對象、失效現(xiàn)象、失效環(huán)境分別加以考察，以獲取的客觀事實(shí)為證據(jù)，全面應(yīng)用邏輯推理綜合分析的方法來判斷失效模式，并推斷失效原因，提出預(yù)防與糾正措施的技術(shù)與管理活動(dòng)。

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2、失效分析的目的和意義

通過對失效件的分析，明確失效類型、找出失效原因，采取改進(jìn)和預(yù)防措施，防止類似的失效在設(shè)計(jì)壽命范圍內(nèi)再發(fā)生，對裝備及其構(gòu)件在以后的設(shè)計(jì)、選材、加工及使用都有指導(dǎo)意義。

1）減少和預(yù)防同類機(jī)械零件的失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生，保障產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品競爭力。

2）分析機(jī)械零件失效原因，為事故責(zé)任認(rèn)定、裁定賠償責(zé)任、修改產(chǎn)品質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)等提供科學(xué)依據(jù)。

2）為企業(yè)技術(shù)開發(fā)、技術(shù)改造提供信息，增加企業(yè)產(chǎn)品技術(shù)含量，從而獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

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3、失效形式

1）彈性變形失效

當(dāng)應(yīng)力或溫度引起構(gòu)件可恢復(fù)的彈性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)彈性變形失效。

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2）塑性變形失效

當(dāng)受裁荷的構(gòu)件產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以妨礙裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)塑性變形失效。

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3）脆性斷裂失效

構(gòu)件在斷裂之前沒有發(fā)生或很少發(fā)生宏觀可見的塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。

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4）韌性斷裂失效

構(gòu)件在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

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5）疲勞斷裂失效

構(gòu)件在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。

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6）腐蝕失效

腐蝕是材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)的反應(yīng)，使材料發(fā)生損壞或變質(zhì)的現(xiàn)象，構(gòu)件發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及構(gòu)件表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現(xiàn)的局部腐蝕，局部腐蝕又有點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

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7）磨損失效

當(dāng)材料的表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運(yùn)動(dòng)時(shí)，由于物理和化學(xué)的作用，材料表面的形狀、尺寸或質(zhì)量發(fā)生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導(dǎo)致構(gòu)件功能喪失，稱為磨損失效。磨損有多種形式，其中常見粘著磨損、磨料磨損、沖擊磨損、微動(dòng)磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

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4、失效分析程序

1) 接受任務(wù)明確目的要求

不管失效分析是何種目的，失效分析的宗旨都是找出失效的原因，避免同樣的失效事件再發(fā)生。對于不同目的要求的情況，失效分析的深度和廣度將會有很大的差別。

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2）調(diào)查現(xiàn)場及收集背景資料

要收集的失效信息一般有兩類：一類是已經(jīng)確認(rèn)能反映失效事故的過程和起因的現(xiàn)象和物質(zhì)；一類是估計(jì)可能用得著的物質(zhì)和值得進(jìn)一步分析的現(xiàn)象。

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調(diào)查、訪問和背景資料的收集：失效裝備的工作原理及運(yùn)行技術(shù)數(shù)據(jù)和有關(guān)的規(guī)程、標(biāo)準(zhǔn)；設(shè)計(jì)的原始依據(jù)，如工作壓力、溫度、介質(zhì)、應(yīng)力狀態(tài)和應(yīng)力水平、安全系數(shù)，預(yù)計(jì)壽命等；選材的依據(jù)，如材料性能數(shù)據(jù)、焊縫系數(shù)等；材料的牌號、性能指標(biāo)、質(zhì)量保證書、供應(yīng)狀態(tài)時(shí)間等；加工、制造、裝配的技術(shù)文件，包括制造工藝的文件，工藝流程及實(shí)施記錄、檢驗(yàn)報(bào)告乃至無損檢驗(yàn)報(bào)告等；運(yùn)行記錄，包括工作壓力、溫度、介質(zhì)、時(shí)間、異常載荷及已運(yùn)行時(shí)間等；操作維修資料如操作規(guī)程、試車記錄、操作記錄、檢修記錄等。

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3）失效件的保護(hù)、取樣及試樣清洗、保存

斷口保護(hù)主要是防止機(jī)械損傷或化學(xué)損傷。

對于機(jī)械損傷的防止，應(yīng)當(dāng)在斷裂事故發(fā)生后馬上把斷口保護(hù)起來。在搬運(yùn)時(shí)將斷口保護(hù)好，在有些信況下還需利用襯墊材料，盡量使斷口表面不要相互摩擦和碰撞。有時(shí)斷口上可能沾上一些油污或臟物，千萬不可用硬刷于斷口，并避免用手指直接接觸斷口。

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對于化學(xué)損傷的防止，主要是防止來自空氣和水或其他化學(xué)藥品對斷口的腐蝕。一般可采用涂層的方法，即在斷口上涂一層防腐物質(zhì)，原則是涂層物質(zhì)不使斷口受腐蝕及易于被完全清洗掉。

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為了全面地進(jìn)行失效分析，需要各種試樣，如力學(xué)性能試樣、化學(xué)分析試樣、斷口分析試樣、電子探針試樣、金相試樣、表面分析試樣和模擬試驗(yàn)用的試樣等。這些試樣要從有代表性的部位上截取，要對截取全部試樣有計(jì)劃安排。

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清洗的目的是為了除去保護(hù)用的涂層和斷口上的腐蝕產(chǎn)物及外來沾污物如灰塵等。

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4）失效件的觀察、檢測和試驗(yàn)

化學(xué)成分分析：包括對失效構(gòu)件金屬材料化學(xué)成分、環(huán)境介質(zhì)及反應(yīng)物、生成物、痕跡物等的化學(xué)成分的分析。 性能測試：力學(xué)性能包括構(gòu)件金屬材料的強(qiáng)度指標(biāo)、塑性指標(biāo)和韌性指標(biāo)及硬度等；化學(xué)性能包括金屬材料在所處環(huán)境介質(zhì)中的電極電位、極化曲線及腐蝕速率等；物理性能如環(huán)境介質(zhì)在所處工藝條件下的反應(yīng)熱、燃燒熱等。

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無損檢測： 采用物理的方法，在不改變材料或構(gòu)件的性能和形狀的條件下，迅速而可靠地確定構(gòu)件表面或內(nèi)部裂紋和其他缺陷的大小、數(shù)量和位置。金屬構(gòu)件表面裂紋及缺陷常用滲透法及電磁法檢測；內(nèi)部缺陷則多用放射性檢測，聲發(fā)射常用于動(dòng)態(tài)—無損檢測，如探測裂紋擴(kuò)展情況。

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組織結(jié)構(gòu)分析：包括構(gòu)件金屬材料表面和芯部的金相組織及缺陷。常用金相法分析金屬的顯微組織是否正常、有否存在晶粒粗大、脫碳、過熱、偏析等缺陷；夾雜物的類型、大小、數(shù)量和分布；晶界上有無析出物，裂紋的數(shù)量、分布及其附近組織有無異常，是否存在氧化或腐蝕產(chǎn)物等。

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殘余應(yīng)力測試及計(jì)算：構(gòu)件殘余應(yīng)力的測定是在無外加載荷的作用下進(jìn)行測定，目前多用X射線應(yīng)力測定法。

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模擬試驗(yàn)就是設(shè)計(jì)一種試驗(yàn)，使其絕大多數(shù)條件同失效件工況相同或相近，但改變其中某些不重要、且模擬價(jià)高、時(shí)間太長、危險(xiǎn)太大的影響因素，看是否發(fā)生失效及失效的情況。

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5）確定失效原因并提出改進(jìn)措施

正確判斷失效形式是確定失效原因的基礎(chǔ)，但失效形式不等于失效原因。還要結(jié)合材料、設(shè)計(jì)、制造、使用等背景和現(xiàn)場情況對照查找。

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