什么是失效分析

對裝備及其構(gòu)件在使用過程中發(fā)生各種形式失效現(xiàn)象的特征及規(guī)律進(jìn)行分析研究，從中找出產(chǎn)生失效的主要原因及防止失效的措施，稱為失效分析。金屬材料的失效形式及失效原因密切相關(guān)。失效形式是材料失效過程的表觀特征，可以通過適當(dāng)?shù)姆绞竭M(jìn)行觀察；而失效原因是導(dǎo)致構(gòu)件失效的物理化學(xué)機(jī)制，需要通過失效過程調(diào)研研究及對失效件的宏觀、微觀分析來診斷和論證。

金屬材料的失效形式

材料在各種工程應(yīng)用中的失效模式主要由斷裂、腐蝕、磨損和變形等組成，其中斷裂失效的危害性最大。

 • 斷裂失效：材料在斷裂之前產(chǎn)生顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效；材料在斷裂之前沒有發(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；材料在交變載荷作用下，經(jīng)過一定的周期后所發(fā)生的斷裂稱為疲勞斷裂失效。 

• 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，當(dāng)材料發(fā)生的腐蝕使其不能發(fā)揮正常的功能時(shí)則稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，有均勻遍及材料表面的均勻腐蝕和只在局部地方出現(xiàn)的局部腐蝕。局部腐蝕又分為點(diǎn)腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。 

• 磨損失效：當(dāng)材料表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運(yùn)動時(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、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。 

• 變形失效：當(dāng)應(yīng)力或溫度引起材料可恢復(fù)的彈性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)彈性變形失效；當(dāng)受載荷的材料產(chǎn)生不可恢復(fù)的塑性變形大到足以影響裝備正常發(fā)揮預(yù)定的功能時(shí)，就出現(xiàn)塑性變形失效。

失效分析的重要環(huán)節(jié)

構(gòu)件及裝備的設(shè)計(jì)要有足夠的強(qiáng)度、剛度、穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要合理，使在特定環(huán)境中的構(gòu)件，對可預(yù)見的失效形式具備足夠的抵抗失效的能力。同時(shí)，在符合使用性能的原則下選取的結(jié)構(gòu)材料，對構(gòu)件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構(gòu)件使用性能、加工工藝性能要求的前提下，經(jīng)濟(jì)性也是必須考慮的因素。

金屬裝備及其構(gòu)件往往要經(jīng)過機(jī)加工、熱冷變形、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規(guī)范制定不合理，則金屬設(shè)備或構(gòu)件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如機(jī)加工常出現(xiàn)的圓角過小、倒角尖銳、裂紋、劃痕；冷熱成形的表面凹凸不平、不直度、不圓度和裂紋；在焊接時(shí)可能產(chǎn)生的焊縫表面缺陷、焊接裂紋、焊縫內(nèi)部缺陷，焊接的熱影響區(qū)更有可能產(chǎn)生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯位、不同心度、不對中及強(qiáng)行組裝留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如超過限度則會導(dǎo)致構(gòu)件以及裝備早期失效。

使用操作不當(dāng)和維修不當(dāng)也是金屬裝備失效的重要原因。違章操作、超載、超溫、超速，缺乏經(jīng)驗(yàn)、判斷錯誤，主觀臆測、責(zé)任心不強(qiáng)、粗心大意等不安全行為均可能導(dǎo)致裝備失效。此外，對裝備的檢查、檢修和更換不及時(shí)，或沒有采取適當(dāng)?shù)男蘩?、防護(hù)措施，也會引起裝備早期失效。

失效分析的內(nèi)容

1. 金屬材料外觀檢驗(yàn)：通過對材料、零部件或設(shè)備的外觀進(jìn)行檢查，可以初步了解其損壞的程度和位置，為后續(xù)分析檢測提供基礎(chǔ)。

2. 金屬材料無損探傷檢測：無損探傷檢測可以幫助人們了解金屬材料或零部件的內(nèi)部損傷、缺陷等問題。常見的無損探傷檢測方法包括超聲檢測、磁粉檢測、射線照相檢測、渦流探傷等。

3. 金屬材料力學(xué)性能測試：包括拉伸試驗(yàn)、壓縮測試、硬度測試和沖擊韌性測試、彎曲試驗(yàn)等，測定材料的抗拉強(qiáng)度、彎曲強(qiáng)度、沖擊韌度、硬度等力學(xué)性能，可以幫助人們了解金屬材料或零部件的強(qiáng)度、塑性等性能。

4. 金屬材料化學(xué)成分分析：利用X射線和熒光分析、能譜分析、俄歇分析、電子探針、離子探針、激光探針等方法，對金屬的表面或內(nèi)部的成分進(jìn)行分析和研究，了解其成分組成。

5. 金屬材料金相組織觀察：金相組織觀察可以幫助人們了解金屬材料或零部件的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織形貌。包括宏觀檢驗(yàn)和微觀檢驗(yàn)，檢查是否有宏觀缺陷、組織特征是否符合加工工藝、裂紋特征、裂紋兩側(cè)組織、非金屬夾雜等。

6. 微觀結(jié)構(gòu)分析：借助顯微鏡、透射電鏡、掃描電鏡、俄歇電子能譜儀、離子探針、X射線衍射儀等設(shè)備，觀察金屬材料的微觀結(jié)構(gòu)，分析其晶體結(jié)構(gòu)、成分分布等。

7. 腐蝕試驗(yàn)：模擬金屬構(gòu)件在實(shí)際使用中的環(huán)境條件，觀察其腐蝕速率、腐蝕形態(tài)等，評估其耐腐蝕性能，常用的方法包括鹽霧試驗(yàn)和浸泡試驗(yàn)。

綜上所述，失效分析是一個(gè)系統(tǒng)性、綜合性的工作，它涉及到材料科學(xué)、力學(xué)、制造工藝、使用環(huán)境等多個(gè)方面。通過失效分析，我們可以深入了解材料失效的本質(zhì)和原因，為改進(jìn)材料性能、提高裝備可靠性提供有力的技術(shù)支持。