機械裝備的失效分析(續前)第8講 失效診斷與預防技術(1)

(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

機械裝備的失效分析(續前)第8講失效診斷與預防技術(1)

王榮

(上海材料研究所 上海市工程材料應用與評價重點實驗室，上海 200437)

對失效診斷的基本內容以及診斷依據進行了介紹，認為機械裝備的失效規律與事物發展變化的一般性規律相同，即失效總是發生于系統的薄弱環節，并起源于構件上的應力集中部位。對機械裝備的“生命歷程”進行了劃分，并對從原材料到產品的設計、加工、庫存和運輸、裝配及服役等這些環節中的失效因素作了分類說明，對各環節中的主要失效形式、失效機理以及失效診斷依據等進行了歸納和總結，同時對失效預防的基本原理和程序作了介紹。結合實際分析中一些典型案例，介紹了幾種不同失效形式的診斷過程和失效預防技術在機械裝備安全服役中的具體應用。

失效診斷； 失效預防； 生命歷程； 薄弱環節； 應力集中

失效診斷包括失效模式診斷、失效原因診斷、失效機理診斷3方面的內容。失效診斷的依據是利用機械裝備失效分析的各種技術，根據現場勘查和事故調查結果，對失效件進行必要和足夠的理化檢驗和受力結構分析，再依靠分析人員豐富的專業知識，以及對失效裝備的整體調研，然后進行科學、客觀和公正的綜合分析，首先給出一級失效模式(性質)的判斷，然后再根據失效性質進行針對性的失效原因分析和失效機理診斷，必要時還要進行進一步的模擬驗證試驗，最后給出切實可行的預防措施。失效診斷具有技術范圍寬和多學科交叉的特點，要求分析人員知識面廣、組織能力強、團隊協作精神好。失效性質或者一級失效模式一經確定，就可利用較先進的分析儀器和手段，如X射線衍射分析技術、電子分析技術、數字仿真模擬技術等,進行縱向深入研究，分析引起失效的深層次原因和機理，對失效件作出更高級別的失效診斷。失效診斷是整個失效分析預測預防工作的前提和基礎，對整個失效分析工作具有“定向”的引領作用。引起產品、構件失效的因素較多，如表1所示[1]，其中每個因素對產品失效所占的具體份額很難量化，只有找到失效的真正原因，才能采取科學的預防措施，避免同類事故的再次發生。失效分析工作雖不能使產品起死回生，但可以使下一批產品有較長的使用壽命，所以失效分析工作是一項積極的工作，對產品質量控制、機械裝備的不斷創新和可持續發展具有重要意義。

表1 某產品失效原因統計Tab.1 Statistics of failure causes for a product

1 失效診斷的一般原則

1.1 薄弱環節

在系統管理中，薄弱環節被定義為“系統中人為設置的、容易出故障的部分”。中國有句俗話，“繩在細處斷，冰在薄處裂”，意思是說事故總是從薄弱的位置發生。“木桶效應”(Cask Effect)原本是經濟學術語，說的是一個木桶盛水量的多少取決于最短木板的長度而產生的整體效應。那塊短的木板就是整個木桶的薄弱環節，是短板決定了木桶的盛水量。

美國材料物理博士GILMAN J J曾用單晶硅制成一個環，直徑為38 mm，厚度為1.5 mm，用其進行拉伸試驗，其抗拉強度達到3 500 MPa，斷裂時發出了巨大聲音，這是一個整體斷裂的試驗事例。300M鋼是美國國際鎳公司于1952年研制的一種低合金超高強度鋼，目前已經成為世界上強度最高、綜合性能最好、應用最廣泛和聲譽最好的起落架用鋼[2]，其強度高達2 050 MPa，迄今為止，設計師們仍認為300M鋼是不可取代的。可見，即便是工程應用上強度最高的鋼，其強度仍然低于單晶硅強度1 000 MPa以上。這是因為，單晶硅的破斷強度取決于晶體中各原子之間的鍵合力，斷裂是同時發生的，這個力是非常巨大的，所以得到的抗拉強度很高。實際應用的工程材料不同于單晶體，其內部存在各種缺陷，如夾雜物、疏松、裂紋、偏析、組織不均勻等，這些缺陷構成了材料內部的薄弱環節，它們會造成材料實際斷裂強度的明顯降低。

GILMAN J J還進行過有名的玻璃絲試驗，他將同一玻璃絲拉過數次，最后取余下的一段進行試驗，結果得到很高的強度。這個試驗結果也可以用薄弱環節的觀點進行解釋，因為開始的幾次拉伸試驗已經篩去了那些最薄弱的環節，最后的強度當然要高些。再如玻璃絲越長，強度往往越低，這是因為絲越長，存在薄弱環節的概率也越大。又如BRENNER在進行晶須試驗時發現,把晶須拉斷后的一段再進行拉伸試驗，強度提高4倍，道理也是相同的。

薄弱環節對構件整體強度的影響，可以通過一個試驗來說明。試驗時取10個方塊，其截面面積都是1 mm2，假定每個方塊為絕對脆性材料，各方塊的強度列于表2。

試驗方法1：將這些方塊并排黏在兩塊拉板上，黏著力也都大于方塊本身強度，黏結好后對其施加的拉力F為2 000 N，見圖1。加力F后，A方塊承受的強度為200 MPa(2 000/10)，先行斷裂；此后拉力F重新分配于其他9個方塊上，強度為220 MPa(2 000/9)，達到方塊B的斷裂強度，故方塊B接著發生斷裂；然后應力又重新分配，為250 MPa(2 000/8)，達到方塊C的斷裂強度，故方塊C發生斷裂；然后應力又重新分配，繼而其他各方塊也一一發生斷裂。

表2 試塊強度和承載強度Tab.2 Strength of test blocks and their bearing strength

圖1 方塊試驗(并聯)Fig.1 Block test (parallel connection)

試驗方法2：將這10個方塊以串聯的方式互相黏結，如圖2所示，顯然它只能承受200 N的拉力或200 MPa的強度，這是因為薄弱環節方塊A的強度就是整個組合體的強度。

圖2 方塊試驗(串聯)Fig.2 Block test (series connection)

從上述試驗結果可以得到以下結論。

(1) 方塊A強度最低，是這個組合體的薄弱環節，整個組合體斷裂是由方塊A引起的。

(2) 這個組合體的平均強度為584.5 MPa，而實際發生斷裂的強度只有200 MPa，只有“理論平均強度”的34%，可見組合體的強度不等于各組分強度的算術平均值。

(3) 薄弱環節的存在使實際抗拉強度大幅度降低，組合體的破斷是由薄弱環節的強度決定的。

機械裝備往往由許許多多的機械構件組成，若存在一個薄弱環節，就可能導致機械裝備的早期失效。如某企業生產的高級小轎車，其設計和所有零部件都采用了世界先進技術，但在生產過程中卻因為管理不到位，一個不良品被裝配到車子上。車子在首次行駛中就因這個不良品的斷裂而發生車禍，造成整個車輛報廢。在這起事故中，除那個不良品外，其他所有零部件的質量都很好，其設計使用壽命都在20 a(年)以上，但這個不良品的存在,導致了其他質量良好的零部件在車禍中因發生意外撞擊而失效，實際使用壽命大幅度降低。在實際生產中，這樣的例子還有許多，如輸送帶、鏈條、鋼絲繩、齒輪、滾動軸承等，如存在某些薄弱環節，就會影響其整體壽命。鏈條是最明顯的例子，只要存在一個強度過低的鏈節，就會在額定載荷下發生斷裂。軸承亦如此，雖然軸承內各個滾珠并不相互連接，但若其中存在一顆質量過低的滾珠，其破損也會使整個軸承無法正常運轉而過早失效。鋼絲繩也總是從磨損最為嚴重處斷裂。這些例子說明，在進行機械裝備的失效分析時，要善于查找被分析對象的薄弱環節，這樣可以少走彎路，起到事半功倍的作用和效果。

1.2 應力集中

應力集中是指受力構件由于幾何形狀、外形尺寸發生突變而引起局部范圍內應力顯著增大的現象。多出現于構件的尖角、孔洞、缺口、溝槽以及有剛性約束處及其鄰近部位。應力集中容易引發裂紋的產生，成為斷裂失效的導火索，有時可直接引發斷裂失效。撕布現象很好地詮釋了這一現象[3]。假定圖3中的橫線和縱線分別代表布的纖維，撕布前先用剪刀在布上剪一缺口，用手撕時，在缺口兩邊施加力F，力量集中在缺口處第一根纖維AB上，一根纖維的抗斷力很小，會立即斷裂，于是應力又集中于第二根纖維上，也會斷裂，如此繼續加力，布的橫向纖維會逐根斷裂，最后使整塊布一分為二。如果不先剪缺口，則兩手所施加的力作用在成百上千根纖維上，其抗斷力遠遠大于一根纖維的，因此不容易撕破。可見正是缺口產生的應力集中使撕布變得非常容易。在材料內部也往往存在相似的缺口，如裂縫、疏松、孔洞等缺陷，當承受外力作用時，這些缺口起著應力集中的作用，會使缺陷前端的一個微小區域首先破裂，隨后裂紋就會像“多米諾骨牌效應”一樣擴展，有時裂紋擴展非常快速，幾乎可使整個構件瞬時破裂。

圖3 撕布缺口示意圖Fig.3 Schematic diagram of notch for tearing the cloth

1.3 表面完整性

表面完整性又稱表面層質量，是指零件加工后的表面紋理和表面層冶金質量。實際零件表面層的幾何形狀特征如圖4所示。表面的波浪形輪廓稱為表面紋理。

圖4 表面層結構示意圖Fig.4 Schematic diagram of structure of the surface layer

1.3.1 表面紋理

(1) 表面紋理的第一種形式是呈連續狀態，主要是指機械加工后留下的加工紋路，包括加工波紋、加工刀痕等。任何機械加工方法都會在加工表面留下表面紋理，都不能保證加工表面完全平整。有些加工表面比較粗糙，肉眼就可以觀察到加工紋理，如車削刀紋、銑削刀紋等；有些加工表面肉眼觀察比較平整，但在顯微鏡下就可以觀察到明顯的加工痕跡，如磨削表面的磨削犁溝等；有些加工表面低放大倍數觀察時較為平整，但在較高放大倍數下就可以看到較淺的加工痕跡，如制備較好的金相試樣的觀察面。

工程上常采用表面粗糙度來評定工件的表面紋理，其主要參數是輪廓算術平均偏差Ra，是指在取樣長度L范圍內，檢測輪廓線上各點至基準線的距離的算術平均值。表面粗糙度Ra越小，則表面越光滑。圖5是采用某型號的表面粗糙度儀測得的表面粗糙度，Ra=0.069 μm。

圖5 表面粗糙度測試結果Fig.5 Test results of the surface roughness

(2) 表面紋理的另一種形式是表面傷痕，它是指在加工表面個別位置上出現的缺陷。有些表面傷痕肉眼就可以觀察到，它們大多隨機分布，如砂眼、氣孔、裂痕、劃痕、夾渣、點腐蝕坑等；有些表面傷痕則需要借助放大鏡或顯微鏡才能觀察到，如因酸洗工藝不當造成的沿晶腐蝕，因磨削工藝不當導致的磨削裂紋,以及暴露于加工表面的顯微疏松缺陷或尺寸較大的夾雜物等；有些表面傷痕則需要進行特殊的化學處理才能觀察到，如因熱處理工藝不當導致的晶間氧化層等。

1.3.2 表面層冶金質量

機械加工不但會在工件表面留下表面紋理，還會在工件表面一定深度處產生受擾材料層。表面層冶金質量主要由受擾材料層的性質決定，主要包括以下幾個方面。

(1) 表面防腐蝕涂層和裝飾

表面防腐蝕涂層有鍍鋅、鍍鎘、鍍錫、涂漆、涂達克羅等。表面裝飾有鋁合金的陽極化處理(有黑色、黃色、紅色、銀灰色等)和鍍鋅層的著色處理等。表面防腐蝕涂層和裝飾主要是對零件進行保護和美化，但若生產工藝不當，無法保證其質量時，可能會造成零件產生腐蝕，甚至發生氫脆型斷裂等失效。

(2) 表層顯微組織

滲碳、氮化等化學熱處理，以及表面淬火等工藝會使工件表面的顯微組織與基體的不同，其硬度和強度也與基體的有所差異。工件表面強度和硬度提高，其疲勞強度也會相應提高，與此同時其氫脆傾向也會加大。對氫脆型斷裂較為敏感的高強度螺栓，相關標準對其表面增、脫碳均有明確規定。表面脫碳會引發疲勞裂紋源，較多的磨削熱可導致磨削表面產生過回火，引起工件表面硬度降低，同時其疲勞強度也會相應降低。鈦合金熱處理工藝不當時，其表面會形成一層硬而脆的富氧α相層，這是重要航空結構件需要嚴格控制的有害相[4]，因為其容易導致構件表面萌生疲勞裂紋。

(3) 表面殘余應力

機械加工以及熱處理可改變零件表面的應力狀態，包括壓應力和拉應力。表面壓應力可提高零件的疲勞壽命，而表面拉應力對各種失效形式具有一定的促進作用。

增加零件表面殘余壓應力的常用處理工藝有磨粒流加工、噴丸強化、滾輪壓光、珩磨、低應力磨削等。磨削工藝不當、冷加工刀具變鈍、電鍍、焊接以及熱處理組織應力等,均可導致零件表面層形成拉應力。消除零件表面殘余應力的有效方法是熱處理，且回火溫度越高，零件殘余應力越小[5]，見圖6。另外，工程上還經常使用電化學拋光和振動等方法來消除零件中的殘余應力。

圖6 回火溫度對鋼中最大殘余應力的影響(回火1.5 h)Fig.6 Effect of tempering temperature on the maximumresidual stress of steels (tempering for 1.5 h)

1.3.3 表面完整性對機械裝備失效的影響

疲勞斷裂是機械裝備的主要失效形式之一，疲勞裂紋萌生具有以下特點：①裂紋大多起源于零件表面，因為表面的應力一般比內部的要大，而且材料變形的約束較小；②表面粗糙的加工刀痕、尺寸突變、存在的冶金缺陷或加工傷痕等均為零件上的應力集中區域，疲勞裂紋首先會在這些位置萌生；③光滑零件裂紋萌生的時間較長，有時可占總壽命的90%以上,存在表面傷痕的零件的疲勞裂紋萌生時間則較短，具有尖銳傷痕或原始裂紋的零件，則不存在裂紋萌生過程。

圖7 軸承滾道面數字模擬計算結果及應力狀態和微裂紋形成示意圖Fig.7 The a) numerical simulation results and b) schematicdiagram of stress state and micro-crack formationof the bearing raceway surface

軸承中滾珠的硬度往往會略高于內、外滾道面的，當滾珠滾動時，迎面的滾道面會產生一個微小的拱起。數字模擬計算結果顯示在滾珠接觸點后方和接觸點的次表面存在一定的拉應力，如圖7a)所示，滾珠反復作用導致的拉應力會在這兩個區域產生微裂紋，如圖7b)所示。這些微裂紋在反復接觸應力的作用下，會進一步擴展并連通，最后會造成該區域表層材料從表層脫落形成凹坑，即產生接觸疲勞失效。采用噴丸等加工工藝可在軸承滾道面的次表層形成壓應力狀態，其深度可達到0.3 mm，在軸承工作過程中可以抵消一部分導致疲勞破壞的拉應力，從而延緩軸承發生接觸疲勞失效的時間，提高軸承的使用壽命。

腐蝕經常發生在表面相對較為粗糙的區域。粗糙區域的比表面積較大，吸附能力較強，容易將潮濕空氣中的水分吸附并凝集，同時介質中的腐蝕性元素也容易在粗糙區域聚集和駐留，溶于凝集水后形成腐蝕性環境，從而引起腐蝕。

表面層存在的拉應力對于氫脆型斷裂以及應力腐蝕破裂的裂紋萌生均具有直接的促進作用。另外，機械加工可能會造成一些顯微疏松或較大的夾雜物等缺陷“露頭”，腐蝕性介質會沿著這些缺陷與基體之間的縫隙滲入，并較長時間地滯留其中。由于這些顯微缺陷與基體之間的電極電位不同，在電解質環境中會形成大陰極、小陽極的電化學腐蝕。

表面層的冶金質量對于磨損失效也有很大的影響。合理選擇表面層的組分以及應力狀態，保證其具有一定的強度和韌性，可有效地避免零件過早地發生磨損失效，延長零件的使用壽命。

圖8 機械裝備的生命歷程示意圖Fig.8 Schematic diagram of life course of mechanical equipments

2 機械裝備的生命歷程

在進行失效診斷時，除了要弄清機械裝備或構件的薄弱環節，以及容易引發裂紋源的應力集中位置外，還要關注構件表面的完整性，要進行深入細致的現場勘查和調研，確定失效發生的節點，也就是失效發生的時間段。機械裝備或構件從原材料到成品的服役過程可用圖8示意，按照“特征因素法”[6]，失效發生的節點或其前面的節點都存在引起該失效的因素。例如:如果在“庫存或運輸1”中發生失效，其可能引起失效的因素有原材料、設計、加工、庫存或運輸1;如果在“服役”中發生失效，其可能引起失效的因素有原材料、設計、加工、庫存或運輸1、裝配、庫存或運輸2、服役。根據圖8，機械裝備可能失效的節點共有6個，分別為①～⑥，越在靠后節點發生的失效，其影響因素也越多。

失效時間節點的確認主要是通過失效事故調查獲取。

3 失效診斷

3.1 原材料缺陷失效診斷

機械裝備結構件的傳統制造方法一種是直接對鑄坯或鑄件進行加工后獲得成品零件；另一種是對鑄錠進行軋制，加工成棒材或板材，作為制造其他零件的原材料，或者是對鑄坯進行開坯鍛造，達到規定的鍛造比和形狀尺寸，然后再用其加工零件。

一些重要零部件在開始加工生產之前，都要對其原材料進行復驗檢查，內容主要包括：無損探傷、化學成分分析、力學性能試驗、低倍檢驗、金相分析等。大多數原材料缺陷可以通過無損檢測或低倍檢驗發現。關于原材料中的低倍缺陷分類及評級在GB/T 1979-2001《結構鋼低倍組織缺陷評級圖》或其他相關標準中均有說明。無損檢測一般只能檢測到缺陷的存在，并按照相關標準進行評級，包括缺陷的分布、大小等，但難以對其進行準確定性。要具體了解缺陷的性質和產生原因，必須對其進行較為深入的理化分析。原材料復驗一般采取抽樣的方式，或者只檢驗某個位置，對隨機分布的缺陷很有可能漏檢，但有些缺陷在隨后的加工過程中往往會暴露出來。若原材料缺陷最終保留在產品中，可能會引起產品的早期失效。

3.1.1 鑄態缺陷

有些零部件是通過鑄造直接獲得的，有些是對鑄坯或鑄態零件毛坯進行進一步的精加工獲得的。鑄態缺陷通常有：鑄造枝晶、疏松、氣泡、晶粒粗大、晶間氧化、鑄造裂紋等。在這些缺陷中，鑄造裂紋的危害最大，它們都是由鑄造工藝和相關材料的特點引起的，其形成原因可參閱后續講座中的“鑄造加工缺陷”。

3.1.2 開坯后的原材料缺陷

通過對軋制或鍛造后的原材料進行低倍檢驗，宏觀可見的缺陷通常有：皮下氣泡、疏松、殘余縮孔、翻皮、白點、軸心晶間裂縫、異金屬夾雜物等，各種缺陷的形貌特征和形成原因如下。

(1) 皮下氣泡

皮下氣泡通常是內壁光滑、圓整的孔洞，單個或成群分布于鑄件表面或次表面，經過鍛造后呈與表面大致垂直的小裂紋，或在皮下呈紡錘形的小氣孔，經常出現在距離表面幾毫米或幾十毫米處，當皮下氣泡經鍛造或熱軋向表面裂開時，裂縫兩邊發生脫碳，而留在皮下沒有向表面裂開的氣泡表面沒有脫碳。

(2) 中心疏松和一般疏松

中心疏松為出現在軸心部位的組織不致密，呈暗色海綿狀的小點和空隙，其與一般疏松的主要區別是暗點和空隙存在于試樣的軸心部位，而不是分散在整個檢驗面上。中心疏松產生原因是鋼液在凝固時，鋼錠的中心部位最后凝固，因體積收縮氣體和夾雜物析出聚集所致。

(3) 殘余縮孔

殘余縮孔的特征是在試片中心區域(多數情況)呈現不規則的折皺裂紋、縫隙或孔洞，在其上或附近常伴有嚴重的疏松、夾雜物(夾渣)或成分偏析。在熱軋時鋼錠頭部疏松收縮區域未全部切除，因而殘留于圓鋼中稱之為殘余縮管(殘余縮孔)，由于切頭不夠，近冒口端的鋼錠殘留下殘余縮孔，在其上有大塊白色的夾砂和嚴重集中的疏松。澆鑄時鋼液溫度越高，液體和固體之間的體積差越大，澆鑄后殘余縮孔的體積也越大。

(4) 翻皮

翻皮的特征是在酸浸蝕片上可以看到白亮色的彎曲條帶或不規則的暗色條帶，在條帶周圍有氣孔或夾雜物，或可以看到密集的空隙和夾雜物的條帶。翻皮可在鋼錠的任何部位出現，也可以任何形狀和大小出現。

(5) 白點

白點的特征是在酸浸試片上，一般除邊緣區域外表現為鋸齒狀的小裂紋，呈放射狀、同心圓形或不規則形態分布；在淬火或調質狀態的縱向斷口上呈橢圓形、圓形或鴨嘴型的白亮點，故稱為白點，是鋼中殘留氫和應力聯合作用產生的，它的產生存在一定的臨界氫含量和臨界應力，也與鋼的化學成分有關。

(6) 軸心晶間裂縫

軸心晶間裂縫是在橫截面酸浸試片上的軸心部位出現呈蜘蛛網狀或放射狀的細小裂紋，此種裂縫以晶間裂縫的形式出現在軸心部位，故稱為軸心裂縫。其產生原因是鋼液凝固時，鋼錠的中心是氣體、非金屬夾雜物、低熔點組元富集的位置，其晶界十分脆弱，在鋼錠凝固后期的收縮應力作用下，中心部位沿晶界裂開，形成軸心晶間裂縫。

(7) 異金屬夾雜物

異金屬夾雜物是指酸浸試片上存在的發亮的“白斑”。金相分析“白斑”處的顯微組織為白亮馬氏體，其周圍顯微組織為黑色珠光體和白色鐵素體；顯微硬度檢驗時兩者之間也存在較大差異。

3.1.3 3D打印產品缺陷

3D打印技術作為制造領域的一次重大技術革命，是傳統制造技術與新材料的完美結合。3D打印技術出現于20世紀90年代中期，近幾年來其發展十分迅猛。3D打印是快速成型技術的一種，它是一種以數字模型文件為基礎，運用粉末狀金屬或塑料等可黏合材料，通過逐層打印的方式來構造物體的技術。目前，比較流行的3D打印技術是按照數字模型文件，對預先鋪設的金屬粉體材料進行激光三維掃描，被激光掃描的少量粉體快速熔化后又快速凝固，整個打印過程就是一個熔融堆積的過程。

3D打印技術前景廣闊，但目前仍然存在較多的技術問題亟待解決。例如:采用Inconel 625粉體3D打印出的某產品零件，金相檢驗時發現打印狀態普遍存在顯微裂紋，見圖9a)；采用熱等靜壓(HIP)工藝處理后，顯微裂紋可以得到較好的消除，但在零件的表面卻出現了白亮層，見圖9b)；同時晶界上出現析出物，見圖9c);另外3D打印材料還出現了815 ℃時的力學性能塑性指標低于室溫的反常現象。這些問題目前還在研究當中。

圖9 3D打印Inconel 625產品顯微組織形貌Fig.9 Microstructure morphology of a 3D printed Inconel 625 product: a) micro-cracks; b) surface bright layer; c) intergranular precipitates

3.1.4 原材料缺陷引起的失效舉例

3.1.4.1 非金屬夾雜物或夾渣引起的失效

GB/T 10561-2005《鋼中非金屬夾雜物含量的測定——標準評級圖顯微檢驗法》將鋼中的非金屬夾雜物分為4類：硫化物類夾雜(A類)、氧化鋁類夾雜(B類)、硅酸鹽類夾雜(C類)、球狀氧化物類夾雜(D類)，每種夾雜物的形態各不相同，實際評級時也有粗系和細系之分。

非金屬夾雜物破壞了金屬基體的連續性，引起微區的應力集中，降低了鋼材的力學性能，尤其是沖擊韌度、疲勞極限和斷裂韌度等，同時增加了變形后鋼材性能的方向性差異。非金屬夾雜物對鋼的力學性能的影響不僅取決于夾雜物的數量及化學性質，更與夾雜物的某些物理特性密切相關，如夾雜物的可變形性、線膨脹系數、彈性模量等。這些物理性能與鋼相應的物理性能之間的差異促使鋼中局部應力升高，嚴重者甚至會產生內部裂紋，會在外力與局部應力集中疊加后使鋼材產生早期開裂失效。

當非金屬夾雜物聚集成堆，或者呈帶狀分布時，其對材料的分割作用更大，當材料的強度較高、應力較大時容易引發斷裂失效。另外，相同類型和大小的非金屬夾雜物分布于不同的零件中，造成的后果也不相同：如對于硬度較高的薄板材，或者細的絲材，較小的非金屬夾雜物就有可能導致其失效；而對于尺寸較大、強度要求較低的結構件，相同尺寸的非金屬夾雜物的影響則可以忽略不計。

(1) 舉例1：彈簧斷裂失效

材料為60Si2CrVA鋼、鋼絲線徑為φ15 mm、硬度為57 HRC的彈簧在首次使用中即發生了斷裂，斷口分析發現斷裂起源于彈簧鋼絲內部尺寸較大的非金屬夾雜物，見圖10。

(2) 舉例2：軸銷斷裂失效

某工程機械履帶鏈軌節銷軸采用45B鋼制造，銷軸直徑為38 mm，表面經中頻感應淬火處理后的有效硬化層深度為7～14 mm，表面硬度為52～60 HRC，心部硬度為26～38 HRC。該銷軸在早期使用過程中發生了斷裂，斷口分析結果表明斷裂起源于硬化層中的非金屬夾雜物[7]，見圖11。

圖10 彈簧斷口表面夾雜物形貌Fig.10 Morphology of the inclusion on the fracture surface of a spring:a) macro morphology of the fracture; b) morphology of the source area; c) morphology of the inclusion

圖11 銷軸斷口表面夾雜物形貌Fig.11 Morphology of the inclusion on the fracture surface of a pin shaft:a) macro morphology of the fracture; b) morphology of the pit left by inclusion dropping in the source area

圖12 異金屬夾渣形貌及其能譜分析結果Fig.12 Morphology and energy spectrum analysis results of the dissimilar metal slag: a) macro morphology; b) SEM morphology;c) OM morphology; d) energy spectrum analysis position; e) energy spectrum analysis results

(3) 舉例3：齒輪異金屬夾渣缺陷

一些原材料缺陷往往存在于材料內部，從外觀上看不出來，但會在切削加工中表現出來。某公司生產的星型齒輪材料為18CrNiMo7-6鋼，滲碳和淬、回火后進行最終磨內孔時，在磨削面發現一條亮帶，亮帶中有一個黑點顯示，如圖12a)中箭頭所示。

將缺陷部位采用線切割的方法取下，采用超聲波充分清洗后置于掃描電子顯微鏡(SEM)內觀察，見圖12b)，可見該區域肉眼觀察到的小“黑點”為一與基體有清晰分界線的異物，其外形尺寸為0.27 mm×0.54 mm。使用光學顯微鏡(OM)對該缺陷橫剖面的顯微組織形貌進行觀察，見圖12c)，可見缺陷大部分還包裹在材料內部，缺陷較長的尺寸為0.56 mm，與缺陷相鄰的基體組織無明顯變形，可排除切削加工期間有異物嵌入的可能。經能譜(EDS)分析，該缺陷的主要成分(質量分數/%)為:17.76O，48.19Al，18.48Si，14.54Mn，1.03S，見圖12d)和圖12e)，可見該缺陷為異金屬夾渣類缺陷。

后經進一步的調查得知，在該材料冶煉期間，為了升高澆鑄時鋼包中鋼液的溫度，生產方向鋼包中投入了一定量的鑄造鋁塊，同時向鋼液中通入氧氣，鋁塊的氧化反應導致了鋼包中鋼液溫度的升高。但是，在該過程中，鋁塊是否能夠完全與氧發生反應形成氧化鋁，并以鋼渣的形式去除就顯得十分重要，這不但需要鋼液具有足夠高的溫度，還需要在此溫度保持足夠長的時間。很顯然，該過程的可控性較差，鋼液的純凈度難以把握。事實上，未充分反應的小顆粒殘留鋁保留在了鋼液中，并形成非金屬夾渣，結果在磨削加工中顯現出來，由于氧化鋁的硬度比較高，會破壞砂輪磨面的一致性，使磨削效果產生差異，結果在缺陷的兩側留下一條沿圓周分布的亮線，亮線的寬度與缺陷露出表面的尺寸有關。如果車削加工時碰到該類缺陷，則容易引起打刀現象。

3.1.4.2 原材料偏析引起的失效

合金成分的不均勻性稱為偏析。鋼中的宏觀偏析主要是由氣體及雜質引起的。熱處理可使偏析程度減輕，但很難徹底消除。熱鍛和軋制對偏析具有較好的改善作用。通過鍛打或塑性變形，可使鋼的組織成分達到均勻一致。要消除原材料偏析，需要從源頭進行控制，即控制鋼液中的夾雜物和氣體含量。

鋼中的偏析有以下兩種：①方形偏析,方形偏析在試塊內部呈由較深的暗點和孔隙組成的方形框帶，其是由鑄錠中柱狀晶區與中心等軸晶區交界處的成分偏析以及氣體、夾雜物聚集所致；②點狀偏析，點狀偏析為在試塊內部呈不同形狀和大小的暗色斑點，當這些斑點分散分布在整個試塊上時為一般點狀偏析，而當斑點存在于試塊邊緣時為邊緣點狀偏析。在鋼液結晶時緩慢冷卻或存在大量氣體、低熔點組元和夾雜物時，會使點狀偏析嚴重。方形偏析的評定原則是，根據框形區域的組織疏松程度和框帶寬度進行評定；點狀偏析的評定原則是，以斑點的數量、大小和分布狀況而定。

生產中發現，某300M鋼制零件在經最終熱處理、精磨后進行磁粉檢查時，表面出現線狀磁痕顯示，減小電流強度后，磁痕顯示現象消失，當采用滲透、超聲波、渦流檢查時均無異常信號顯示。分別從磁痕顯示部位、正常區域取樣制備拉伸試樣，經拉伸對比試驗，兩者性能無明顯差別。進一步的理化試驗和綜合分析表明，該磁痕顯示現象是由合金元素的偏析所致[8]。該類現象在Cr-Ni-Mo或者Cr-Mo系列高強度鋼中也經常出現。出現磁痕顯示的零件不可以輕易判廢，要分析其形成原因，若是由元素偏析引起的，而材料力學性能指標合格時，一般不影響其使用性能。

舉例1：鋼軌內部缺陷(帶狀偏析)

某可動心軌合金頭材料為R350HT級鋼軌，在超聲波探傷時發現鋼軌內部有缺陷顯示。金相分析發現:缺陷部位的顯微組織存在明顯的偏析現象，拋光態下可見偏析區存在帶狀非金屬夾雜物，顯微組織為回火馬氏體；正常區域顯微組織為珠光體+少量鐵素體，見圖13。

3.1.4.3 原材料疏松引起的失效

原材料疏松級別較高時，橫向酸浸試面上會出現一些顯微孔洞，塔形試驗面上會出現一些發紋，嚴重時，直接表現為形狀各異的不連續或孔洞，疏松區別于氣孔的特征是其缺陷面較為粗糙，有時可見聚集的顆粒狀或葡萄狀枝晶組織，斷口觀察時可見氧化腐蝕產物覆蓋，特別嚴重的疏松可造成材料缺失。有些疏松缺陷在切割面上不需要腐蝕，肉眼就可以看到，它們在鍛造過程中很容易演變成鍛造裂紋，或者在熱處理過程中引發淬火開裂，也可能成為疲勞斷裂或氫脆型斷裂等失效的根源。

舉例1：車軸中心缺陷

某公司在生產機車的車軸時，當用鋸床切除原材料的料頭時，肉眼觀察到棒料的中心部位存在幾個微小的黑點，見圖14a)。將黑點區域用線切割的方式切割取樣，然后將其置于SEM內觀察，發生明顯疏松特征，見圖14b)。侵蝕后缺陷部位的顯微組織與基體的相同，均為珠光體+鐵素體,見圖14c)。試驗結果表明，車軸中心肉眼觀察到的“黑點”為原材料中心疏松缺陷。

圖13 鋼軌內部缺陷無損檢測現場形貌及帶狀偏析區域顯微形貌Fig.13 Site scene of nondestructive test of internal defects of a steel rail and micro morphology of the banded segregation area:a) site scene of nondestructive test; b) segregation morphology; c) morphology of inclusions in segregation area;d) microstructure morphology of segregation area; e) microstructure morphology of normal area

圖14 車軸中心疏松形貌Fig.14 Morphology of center porosity of an axle: a) macro morphology; b) SEM morphology; c) OM morphology

(未完待續)

FailureAnalysisonMechanicalEquipments(Continued)Lecture8Failure Diagnosis and Prevention Technology (1)

WANGRong

(Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation,Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China)

The basic content and diagnosis basis of failure diagnosis are introduced. It is considered that the failure law of mechanical equipments is the same as the general law of development and change of things; that is to say, the failure always occurs at the weak part of the system and originates from the stress concentration area of the components. The life course of mechanical equipments is divided. The failure factors in the links from raw materials to design, processing, inventory, transportation, assembly and service of products are classified and described, the main failure modes, failure mechanism and failure diagnosis basis of each link are summarized, and the basic principles and procedures of failure prevention are introduced. Combined with some typical cases in practical analysis, the diagnosis process of several different failure modes and the application of failure prevention techniques in safety service of mechanical equipments are introduced.

failure diagnosis; failure prevention; life course; weak link; stress concentration

2017-07-05

上海市金屬材料檢測分析與安全評估專業技術服務平臺資助項目(16DZ2290800)

王 榮(1967-)，男，教授級高工，主要從事機械裝備的失效分析與安全評估工作與研究，wangrong1967@126.com

10.11973/lhjy-wl201712001

TG115; TB30

A

1001-4012(2017)12-0849-10