第1章 失效分析基本概念及方法

1、第一章 失效分析基本概念及方法失效分析最早有史料記載的是在公元前2025年由巴比倫國王漢莫拉比撰寫的法典中，而真正把失效分析作為仲裁事故的法律手段和提高產(chǎn)品質量的技術手段是應用于1862年建立了世界上第一個鍋爐監(jiān)察局。失效分析走上系統(tǒng)化、綜合化、理論化的新階段是從20世紀中葉，隨著微電子技術的異軍突起開始的。1.1失效分析基本概念各類機電產(chǎn)品的機械零部件、微電子元件和儀器儀表等以及各種金屬及其他形成的構件（工程上習慣地統(tǒng)稱為零件，以下簡稱零件）都具有一定的功能，承擔各種各樣的工作任務，如承受載荷、傳遞能量、完成某種規(guī)定的動作等。當這些零件失去了它應有的功能時，則稱該零件發(fā)生了失效。失效分析的信

2、息，客觀上能夠反映機械失效的起始、發(fā)展、變化和完成的全過程，以及導致這一失效運動的內、外原因和條件等等，通過與失效事件有關的各種途徑傳出，經(jīng)過失效分析人員運用各種必要、可能的調查、檢驗等科學技術手段（借助科學儀器）等接收，產(chǎn)生回溯反饋，在人類已有失效規(guī)律和知識的基礎上，就能較完整地在認識或實踐上再現(xiàn)失效的全過程。失效事件中的信息量，是由每個具體的失效過程所決定的，而接收這種失效信息多少，則取決于失效分析人員的專業(yè)水平和失效分析的科學技術水平。零件失效即失去其原有功能的含義包括三種情況：（1） 零件由于斷裂、腐蝕、磨損、變形等，從而完全喪失其功能。（2） 零件在外部環(huán)境作用下，部分的失去其原有功

3、能，雖然能夠工作，但不能完成規(guī)定功能，如由于磨損導致尺寸超差等。（3） 零件雖然能夠工作，也能完成規(guī)定功能，但繼續(xù)使用時，不能確保安全可靠性。如經(jīng)過長期高溫運行的壓力容器及其管道，其內部組織已經(jīng)發(fā)生變化，當達到一定的運行時間，繼續(xù)使用就存在開裂的可能。國家標準GB3187-82中定義： “失效（故障）產(chǎn)品喪失規(guī)定的功能。對可修復產(chǎn)品，通常也稱為故障?！痹摱x中涉及到產(chǎn)品、可修復產(chǎn)品、功能、規(guī)定的功能和喪失等幾個概念。（1）產(chǎn)品按經(jīng)濟學上的定義：企業(yè)進行生產(chǎn)活動所創(chuàng)造的、符合于原定生產(chǎn)目的和用途的直接生產(chǎn)成果，物質產(chǎn)品按其完成程度可分為成品、半成品和在制品。它包括任何元件、器件、設備或系統(tǒng)，可以

4、表示產(chǎn)品的總體、樣品等?？傊浯_切含義在使用這一詞時應加以說明，但廢品不能算產(chǎn)品。在可靠性和失效分析領域內，如不加說明，產(chǎn)品一般指成品。（2）可修復產(chǎn)品當產(chǎn)品喪失規(guī)定功能時，按規(guī)定的程序和方法進行維修后，可恢復規(guī)定功能的產(chǎn)品。即故障后可以修復的產(chǎn)品。一個產(chǎn)品是否可以修復，是一個歷史的相對的概念，受多方面因素的制約。一看技術上是否可能；二看經(jīng)濟上是否值得；三看時間上是否允許。例如電阻、電容、電子管、日光燈管、鉚釘、墊片等，一般歸于不可修復產(chǎn)品；而起落架、油泵、機床等，只要符合規(guī)定的技術條件，一般屬于可修復產(chǎn)品，但當超過規(guī)定的修理深度時，又變成不可修復產(chǎn)品。所有，產(chǎn)品處于“可修狀態(tài)”或“不可修狀

5、態(tài)”。對一個復雜的設備或系統(tǒng)來講，其中某些零件失效后是不可修復的（如輪胎爆破和前面所說的鉚釘和墊片等），但對系統(tǒng)來說（如飛機或發(fā)動機）卻是可修復的，只需將這些失效的零件替換。（3）功能功能是指作為產(chǎn)品必須完成的事項，產(chǎn)品的功能和用途。不同產(chǎn)品的功能是五花八門的。（4）規(guī)定的功能規(guī)定的功能是指國家有關法規(guī)、質量標準、技術文件以及合同規(guī)定的對產(chǎn)品適用、安全和其他特性的要求。它既是產(chǎn)品質量的核心，又是產(chǎn)品是否失效的判據(jù)。因此，產(chǎn)品是否失效主要是在使用（包括檢驗）過程中考察。一般來說，產(chǎn)品的規(guī)定功能與規(guī)定的條件相對應。還應具有常識上所應具備的一些功能，如兒童玩具必須具備在兒童誤操作的情況下不會對兒童造

6、成傷害的功能。（5）喪失一般理解為產(chǎn)品原有規(guī)定的功能在商品流通或使用過程中失去（或消失了），也就是說，產(chǎn)品的規(guī)定功能有一個從有到無、從合格到不合格的過程。喪失，可能是暫時的、間斷的或永久性的；可能是部分的、全部的；喪失可能快也可能慢；而喪失規(guī)定的功能，經(jīng)過修理后有可能恢復，也可能無法恢復。無論上述哪種情況，都在喪失規(guī)定功能之列，即均處于失效狀態(tài)。也可能有這樣的情況，產(chǎn)品一開始就不具備規(guī)定的功能。因此，這里建議采用“不具備”來代替“喪失”。從以上可以看出，失效強調的是產(chǎn)品所處的功能狀態(tài)，失效產(chǎn)品從某種意義上講也是潛在的不合格產(chǎn)品（雖然出廠時已經(jīng)貼上了合格的標簽），包括在使用初期是合格品而在規(guī)定的

7、有效使用時間內功能失效的產(chǎn)品。而故障強調的是產(chǎn)品失效以后可以修復（但不是自然恢復），或者說，故障是產(chǎn)品處于可修復的失效狀態(tài)。失效分析是判斷產(chǎn)品的失效模式，查找產(chǎn)品失效機理和原因，提出預防再失效的對策的技術活動和管理活動。失效分析的主要工作內容包括：（1） 調查（包括確認是否失效、取證、普查等）；（2） 判斷失效模式；（3） 查找失效原因（包括與產(chǎn)品失效相關的管理因素）；（4） 探討失效機理及其與失效模式的關系（過程的因果關系）；（5） 失效后果（影響和危險性）分析；（6） 合理制定或修改失效判據(jù)（必要時才進行）；（7） 失效的數(shù)理統(tǒng)計分析（必要并有條件時才進行）；（8） 模擬再現(xiàn)和失效預測（必

8、要并有條件時才進行）；（9） 明確產(chǎn)品失效責任（必要時才進行）；（10） 提出防止再失效的對策（失效分析成果的反饋和響應），注意新的失效因子。失效模式是指失效的外在宏觀表現(xiàn)形式和過程規(guī)律。一般可理解為失效的性質和類型。失效模式按其所定義的范圍、屬性、標準和參量，可分為一級失效模式、二級失效模式等。模式準確，就是要將失效的性質和類型判斷準確，尤其是要將一級失效模式和二級失效模式判斷準確。一級失效模式的分類如圖1-1所示。二級失效模式分類所依據(jù)的“標準”和“參量”繁雜多樣，其判斷也要比一級難得多。有興趣的讀者還可參閱有關的失效分析文獻。 韌性斷裂失效 斷裂失效 脆性斷裂失效 疲勞斷裂失效 失效模式

9、 磨損失效 腐蝕失效 非斷裂失效 變形失效 電接觸失效 熱損傷失效 污染失效圖1-1 一級失效模式的分類失效機理是指失效的物理、化學變化本質和微觀過程可以追溯到原子、分子尺度和結構的變化，但與此相對的是它遲早也要表現(xiàn)出一系列宏觀（外在的）性能、性質變化和聯(lián)系。機械失效，乃是一種物質的運動，并表現(xiàn)為一定的形態(tài)，故而必然會和一定的客體物發(fā)生相互作用，這一作用的結果必然要引起原客體物發(fā)生相互作用，這一作用的結果必然要引起原客體物結構和能量的變化，改變客體物的形態(tài)，產(chǎn)生一定的反映特征。這種反映特征，就是失效分析中信息源的最主要的物質基礎。至于信息量的多少，是由客觀事物本身決定的。失效原因的判斷是整個失

10、效分析的核心和關鍵，通常是指釀成失效甚至事故的直接關鍵性因素。與失效模式一樣，失效原因也可分為一級失效原因和二級失效原因等。一級失效原因的判斷，一般指造成該失效事故的直接關鍵因素處于設計、材料、制造工藝、使用及環(huán)境的那一環(huán)節(jié)，即通常所謂的"設計是根本，材料是基礎，工藝是關鍵，使用是保證"的某一關鍵環(huán)節(jié)。失效原因的判斷建立在失效模式判斷的基礎上，當一個失效件的二級以上失效模式確定以后，一般而言，一級失效原因基本上就很容易確定了。在一級失效原因正確的基礎上，探討和分析二級失效原因。例如設計原因引起的失效還可細分為設計思想、結構、對載荷分析的準確性、選材等二級失效原因。同樣，失效

11、原因的確定也分為定量確定和定性確定，在必要時，還要采用失效模擬技術來確定失效的原因。然而失效原因的確定是相當復雜的，其復雜性表現(xiàn)為失效原因具有一些特點，如原因的必要性、多樣性、相關性、可變性和偶然性。有關這方面的深入研究可閱讀有關參考資料。二十世紀中葉以來，隨著微電子技術的異軍突起(電子光學、斷口學、痕跡學、表面科學、電子金相學等迅猛發(fā)展)，產(chǎn)品失效的物理、化學過程，已能從微觀方面闡明失效的本質、規(guī)律和原因。在此基礎上，失效分析逐步走上了較為系統(tǒng)、綜合、理論化的新階段，并在國民經(jīng)濟和技術進步中發(fā)揮著日益重要的作用，已為世人所注目。進入本世紀以來，失效分析進入了更加高速發(fā)展的階段，如2004年在

12、葡萄牙里斯本舉辦的第一屆工程失效分析國際會議，參會人數(shù)僅有50人左右，而2012年在荷蘭海牙舉辦的第五屆工程失效分析國際會議，參會人數(shù)超過250人，設立三個分會場，涉及的領域幾乎遍布各個行業(yè)部門。在如2005年和2006年，美國和我國目前公開發(fā)行的專業(yè)失效分析雜志JOURNAL OF FAILURE AND PREVENTION和失效分析與預防分別問世，進一步推動了失效分析學科的發(fā)展。1.2失效分析基本程序失效分析過程中往往涉及到有多個零部件同時遭到破壞，情況相當復雜。因此，除了要有正確的分析思路外，還需要有一個合理的失效分析程序。由于產(chǎn)品失效的情況千變萬化，只能有適應于一般情況的失效分析基本

13、程序。大致包括以下幾方面：（1） 調查現(xiàn)場失效信息（2） 初步確定肇事失效件（3） 確定具體的分析思路和工作程序（4） 初步判斷肇事失效件的失效模式（5） 查找失效的原因（6） 綜合性的分析（7） 失效分析報告失效分析基本程序中，每一步驟具體要求如下：（1） 調查現(xiàn)場失效信息調查現(xiàn)場失效信息是失效分析的第一步，對現(xiàn)場失效信息的調查必須給予高度重視。它是整個失效分析工作的基礎，也是邏輯推理的必要前提?，F(xiàn)場失效信息調查是以失效現(xiàn)場為出發(fā)點，全面、系統(tǒng)、客觀、細致地觀察收集失效對象、失效現(xiàn)象、失效環(huán)境等現(xiàn)場失效信息以獲取真實可靠的感官材料，即要強調現(xiàn)場失效信息的準確性、全面性、客觀性和系統(tǒng)性，切忌片

14、面性、主觀性以及局限性。（2） 初步確定肇事失效件在尋找肇事失效件過程中，往往情況比較復雜，要綜合正確掌握邏輯推理，把歸納推理、演繹推理、類比推理、選擇性推理和假設性推理這幾種常用的邏輯推理方法靈活運用。（3） 確定具體的分析思路和工作程序要從設計、制造、維修、使用和研究部門調查了解，歷史上是否發(fā)生過類似失效事件。如果發(fā)生過這種失效先例，并曾作過相應的失效分析，建議按類比和邏輯推理相結合的思路和程序進行分析；如果沒有這種失效先例時，則按邏輯推斷的思路和程序進行分析。（4） 初步判斷肇事失效件的失效模式要仔細觀察和分析肇事失效件的失效信息，例如失效的具體部位、各種痕跡、結構完整性、表面完整性以及

15、各種性能變化等。同時要觀察相關失效件上的有關失效信息以及所處的具體失效小環(huán)境。在此基礎上，對肇事失效件失效模式的主要類型作出初步判斷。判斷肇事失效件的失效模式，實際上是一種類別的認定工作，它是以客體的種類特征為基礎。同種和同類失效模式是個集合概念，是把種和類相同的客體物（失效事件）的特征綜合起來，從而據(jù)以判定其失效為這一種或另一類失效模式，這實際上是一種類比推理。應當強調，人們必須先具有關于各類失效模式的基本概念、主要特征、發(fā)生條件以及主要判據(jù)，否則無法進行失效模式的初步判斷。失效模式的初步判斷意味著肇事失效件經(jīng)歷了這一失效模式所內涵的失效基本過程以及相關的必要條件和影響因素。因此，有必要首先

16、就這一失效模式范圍內的過程規(guī)律和因果關系對已取得的失效信息進行加工整理，以判斷是否與這一失效模式所反映的宏觀特征相一致，是否還需獲取那些證據(jù)和信息。肇事失效件失效模式的初步判斷基本上是宏觀的、非破壞性的。（5） 查找失效的原因在失效模式初步判斷的基本上，查找失效原因就有了明確的方向和范圍。一般從如下幾方面入手：1） 肇事件自身的內因；2） 相關失效件的影響；3） 肇事件力學環(huán)境、介質環(huán)境以及溫度環(huán)境等分析；4） 其他異常因素（如輻射、雷擊、靜電、誤操作、人為破壞等）。失效件上最具有某一失效特征或者失效最嚴重的部位，如磨損最重處、斷裂源、腐蝕最深處、熱變形所示最高溫度區(qū)、變形最嚴重處等，是查找失

17、效原因最關鍵的部位。第二個關鍵部位是失效件上失效區(qū)與尚未失效區(qū)的交界或者兩種模式的交界處。查找失效的原因是失效分析中難度最大、工作量最多的階段，這時涉及的工作包括：1） 破壞性取樣分析；2） 各種宏微觀分析；3） 非標準的測試、檢驗。為證實或排除某些可能的失效原因，應精心地設計檢驗和試驗方案。一般采用以下原則：1） 先易后難；2） 由表及里；3） 由低倍到高倍；4） 按形貌成分性能結構的順序開展分析工作。在查找失效原因的過程中要牢記如下幾點：1） 分析思路和分析工作要緊緊圍繞已確定的失效模式所涉及的機理、原因和影響因素開展分析工作；2） 要十分關注是否存在異?，F(xiàn)象和異常因素，因為這些異?，F(xiàn)象和

18、異常因素可能預示著某種失效原因；3） 同一個肇事失效件上，可能同時或先后存在兩種或兩種以上失效模式，這時要分別加以分析，并判斷這兩種失效過程是否相關，對最終的失效有什么影響；4）回過頭來看看這一關鍵階段所做的大量測試和微觀分析工作，能否最終肯定前期判斷的失效模式。5）查找失效原因是失效分析中最重要的一個階段，是一個不斷尋求證據(jù)、不斷推理、不斷否定和逐漸肯定等不斷反復、迭代和反饋的過程。（6） 綜合性的分析在前述五個方面工作的基礎上，需對整個失效分析工作進行綜合性的分析，即系統(tǒng)性的分析。（7） 失效分析報告失效分析報告包含對失效事件的客觀描述、失效特征及其分析過程和主要結果、失效模式的確認、失效

19、原因的分析、主要分析結論以及預防失效的建議，包括尚需繼續(xù)進行的模擬或者研究工作。1.3失效分析基本思路失效分析基本思路可從“問、望、聞、切、摸、結、回”七個方面進行，對于緊固件而言，根據(jù)緊固件的結構特點和使用條件的不同，失效分析的具體思路和方法也各不相同，但是基本的分析步驟是一致的。當然，對于某些較為簡單的情況也可簡化而不必逐條照搬。一、“問”調查1、現(xiàn)場調查現(xiàn)場調查所得是認識失效分析對象的第一手資料, 是獲得失效證據(jù)的第一個手段, 也是邏輯推理的基礎前提。現(xiàn)場調查是否真實、全面、及時, 是決定該項失效分析成敗的首要問題。為要查實，首要應注意必要的現(xiàn)場、零件的保護，以備調查失效瞬間的現(xiàn)場實況以

20、及追蹤線索。（1） 故障發(fā)生的時間、地點、失效經(jīng)過和發(fā)生時間的順序記錄；（2） 故障件碎片與主體相對位置的分布、繪制草圖或（和）照相；（3） 部件的畸變程度和損失情況，繪制草圖或（和）照相；（4） 目擊者證詞，詢問工廠有關人員或其他能提供有用信息的人員；為實驗室工作做準備，考慮選取試樣的部件或方法。2、搜集失效部件的背景資料（1） 監(jiān)視設備的記錄和運轉日記；（2） 主系統(tǒng)和要害部件的服役史： 設備記錄、運轉條件； 維護、調整和修理情況記錄； 經(jīng)銷單位售出記錄或排除故障報告。 3、工程設計的背景資料（1） 系統(tǒng)說明書；（2） 系統(tǒng)或部件的功能；（3） 裝配程序說明書；（4） 維護程序；（5） 設

21、計說明書；（6） 設計圖（藍圖）；（7） 制造程序和質量控制程序及其水平；（8） 工程設計的分析和報告；（9） 質量檢驗報告；（10） 有關規(guī)范和標準。 4、操作人員的因素（1） 人與機器的相互作用等。（2） 人的效能身體疲勞情況，等。一、 “望”觀察1、 失效系統(tǒng)或部件的宏觀檢驗；2、 必須拆卸時應提供記錄（包括照相）文件；3、 針對設計圖紙核對尺寸；4、 可用小于50倍的放大鏡進行檢查；5、 全部試樣（金相的和力學試驗的）選定、標號、切取、保存和（或）清洗；6、 斷口的宏觀和合微觀觀察（多用體視顯微鏡或（和）掃描電鏡）；7、 對斷口附近和非損壞區(qū)的金相組織做對比觀察。二、 “聞”檢測1、

22、無損檢測，常用的包括滲透檢測、渦流檢測、X射線檢測、超聲檢測以及磁粉檢測等。應用各類無損檢測方法是應注意各類檢測的優(yōu)缺點、適用范圍等。2、 化學成分分析：（1） 常規(guī)的濕法、光譜分析；（2） 局部或微區(qū)的輝光光譜電子探針（電子能譜）；（3） 表面或界面的俄歇能譜3、 組織結構分析，包括采用光學金相、X-射線衍射分析以及透射電子顯微分析等。三、 “切”測試1、 常規(guī)力學性能測試（包括硬度測量）；2、 斷裂性能測試，包括斷裂韌度、裂紋擴展速率等；3、 應力強度壽命分析；4、 可檢測性分析質量控制分析。四、 “摸”模擬試驗1、 失效的概率分析；2、 失效機理的確定；3、 模擬服役條件下的試驗。五、

23、“結”結論1、 對所取得的信息、數(shù)據(jù)做分析與評價（1） 考慮信息和數(shù)據(jù)的可靠性；（2） 對提出的失效原因達到“兩個一致”即與失效事實一致，與工程和物理原理一致；（3） 對假說的描述要證明是正確的；（4） 對工程模型的描述要證明是正確；（5） 解釋判斷的數(shù)據(jù)。2、 結論的根據(jù)要充分、可靠3、 寫出有建議的報告（1） 建議的現(xiàn)實性考慮費用和可行性；（2） 解釋并證明建議的正確性。六、 “回”回訪1、 檢查失效分析的正確性和效果；2、 促進建議的貫徹執(zhí)行。1.4緊固件失效分析基本方法緊固件失效的基本類型主要有：過載失效、疲勞失效、氫脆失效、應力腐蝕失效、微動磨損失效等。不管是那種失效類型，采用的失效

24、分析方法均主要包括宏觀形貌分析、電子顯微分析、金相分析、化學成分分析、無損檢測、力學性能測試等。分析的內容涉及到裂紋與斷口的形貌，損傷區(qū)域及其附近的損傷痕跡、特征及其表面完整性，材料組織、成分、性能及其缺陷的類別、尺寸以及大小等等。1.4.1 宏觀形貌分析用目視、放大鏡和體視顯微鏡對失效零件進行直接觀察與分析的方法，稱為宏觀分析法。其放大倍數(shù)通常規(guī)定在50倍以下。宏觀分析首先是目視觀察。目視檢查有最好的綜合性能：特別大的景深和視野，對顏色、腐蝕、斷裂紋理走向有十分敏銳的分析能力，能判斷距離遠近和尺寸大小，能同時看清光亮程度相差不大的物件等。目視對判定裂紋的萌生位置、裂紋擴展途徑、結晶斷口或纖維

25、狀斷口、二次裂紋，以及有無過載產(chǎn)生的剪切唇等等，都能迅速而準確地識別出來。目視對部件運轉的情況，對原有設計和加工質量也能做出總的評價。宏觀分析除目視觀察外，還可用放大鏡、體視顯微鏡進行觀察和分析。宏觀分析法的優(yōu)點是：簡便、迅速，試樣尺寸不受限制，不必破壞失效零件，觀察范圍大，能夠觀察與分析裂紋（斷裂）和零件形狀的關系、斷口與變形的關系、斷口與受力狀態(tài)的關系，能夠初步判斷裂紋源位置、失效性質與原因。因此，宏觀分析法是金屬機械構件失效分析中最方便、最常用、最重要和不可缺少的步驟與方法。它是整個金屬機械構件失效分析的基礎。宏觀分析法的缺點是：從宏觀分析很難獲得失效件細微結構的信息，只能從較宏觀的角度

26、上判斷失效性質及原因，而且需要較豐富的經(jīng)驗。因此，單從宏觀分析來判斷失效性質及原因會不完全可靠。宏觀分析法只是一種最初步、最基本的失效分析和研究方法。1.4.2 電子顯微鏡分析掃描電鏡分析掃描電子顯微鏡簡稱掃描電鏡。它利用聚焦得非常細的高能電子束在試樣上掃描，激發(fā)出各種物理信息。通過對這些信息的接收、放大和顯示成像，以便對試樣表面進行分析，掃描電子顯微鏡的原理圖如圖1-2所示。圖1-2 掃描電子顯微鏡工作原理掃描電鏡有很大的景深，對粗糙的表面，例如凹凸不平的金屬斷口顯示得很清楚，立體感很強，如圖1-3。掃描電鏡是研究固體試樣表面形貌的有力工具。圖1-3 冶金粉末掃描電鏡圖像目前較好的商品掃描電

27、鏡的分辨率一般為6nm，最好的已達2nm，實驗室研制的掃描電鏡已達到0.5nm的水平。其放大倍數(shù)在2020萬倍之間，這樣寬的放大倍數(shù)范圍對試樣的觀察研究非常方便。掃描電鏡的試樣制備簡單，有的試樣可以不經(jīng)制作直接放入電鏡內觀察。因而，更接近物質的自然狀態(tài)，并能迅速地得到結果。而且由于放大倍數(shù)可從幾十倍連續(xù)調到十幾萬倍，觀察可從宏觀到微觀。移動試樣就可以尋找裂紋的起源，觀察裂紋的擴展和最后斷裂的全貌，這是復型法在透射電鏡中很難辦到的。掃描電鏡可配備不同的附件，可對試樣表面進行微區(qū)成分分析?？梢杂脕磉M行微區(qū)成分分析的訊號：俄歇電子、X射線和背散射電子。這些訊號的能量或強度均和物質的原子序數(shù)有關。例如

28、：對于不同的元素，都有不同的特征X射線譜和特征俄歇電子能譜；另外，對于不同的相成分區(qū)域，由于背散射電子的產(chǎn)額不同，相應產(chǎn)生成分的襯度效應。因此，利用從試樣表面被高能電子探針束所激發(fā)出的俄歇電子能譜，X射線特征譜（光譜或能譜），或由于背散射電子所表現(xiàn)的成分襯度效應，進行測量和分析，就可以確定合金中元素含量或相成分，如圖1-4。與此相應有四種分析方法：（1）俄歇電子能譜分析法； （2）X射線光譜分析法；（3）X射線能譜分析法； （4）背散射電子的成分襯度效應分析法。（a） （b）圖1-4 微區(qū)成分分析（a）試樣表面顆粒（b）能譜分析結果譜圖掃描電鏡的微區(qū)成分分析的精確度，雖然受到斷口表面粗糙度的影

29、響而只能得到定性或半定量的數(shù)據(jù)，但在斷裂分析中用于鑒定裂紋源處可能存在的非金屬夾雜物、分析腐蝕產(chǎn)物或氧化膜等仍能滿足要求。一般分析儀能夠探測到的含量下限為0.1wt%左右。透射電鏡分析透射電鏡比掃描電鏡分辨率高，用透射電鏡觀察一次復型時分辨率可達23nm，觀察二次復型時分辨率可達10nm。所以，在相同倍率下，透射電鏡觀察二次復型樣品時的圖像比掃描電鏡的二次電子像更清晰、明銳。因此，在斷裂分析中透射電鏡也是重要的工具之一。透射電鏡的主要功能是：（1）識別物體微觀結構的細節(jié)；（2）進行物體（樣品）的形貌像與衍射像的轉換。在透射電鏡中，通過改變中間鏡的電流值，可以很方便地把樣品的形貌像轉變?yōu)殡娮友苌?/p>

30、像。通過形貌像，人們可以觀察到微觀客體的形狀、大小及分布。當把同一微觀客體的形貌像轉換為它的衍射像之后，進行電子衍射分析，可以確定該微觀客體的晶體結構，并進而確定該微觀客體（如非金屬夾雜物或析出相）的類別。這樣，便可以從兩個不同的側面對同一微觀客體進行深入的了解。這是透射電鏡最主要的功能和優(yōu)點。透射電鏡在失效分析中的應用，主要有以下兩個方面：a）失效形貌觀察金屬顯微組織的觀察：前已指出，用金相顯微鏡觀察金屬的顯微組織時，有許多細節(jié)分辨不清。但如果通過透射電鏡，就可以使人們清晰地觀察到金相顯微鏡無法辨別的顯微組織、第二相等的微細結構。其它失效形態(tài)的觀察：許多失效事例表明，透射電鏡已經(jīng)成功地應用于

31、磨損和腐蝕等失效形式的分析研究中，通過揭示這些失效的形貌特征，可以使人們正確地找到失效的形成機制和原因。b）非金屬夾雜物及析出物的物相結構分析透射電鏡是目前惟一能夠對非金屬夾雜物或析出物等微小晶體進行微區(qū)結構分析的一種儀器設備。這種物相結構分析，就是所謂的選區(qū)電子衍射技術，圖1-5示出了采用透射電鏡進行相結構分析的例子。圖1-5 6.5%Al-Ni基合金中位錯組態(tài)但由于透射電鏡試樣制備較為繁瑣，目前在工程失效分析中大部分采用掃描電鏡進行。1.4.3 金相分析金相分析是失效分析中最常用的一種實驗觀測技術。它能提供有關金屬材料的基體組織、晶粒度、第二相等參數(shù)的定性或定量的觀測結果，也能提供關于各種

32、材料缺陷的信息。金相分析是用光學顯微鏡觀察和研究金屬材料顯微組織結構的檢測技術。光學顯微鏡是一種最基本的形貌觀察儀器，一般由照明系統(tǒng)、成像系統(tǒng)（包括目鏡、物鏡及聚光鏡等）和機械系統(tǒng)三部分組成，其極限分辨能力為0.2m，有效放大倍數(shù)為1500倍。在光學顯微鏡上利用可見光的反射，觀察金相組織及冶金缺陷，借此來研究金屬及其合金中各種相的大小、分布、數(shù)量及形態(tài)。雖然光學金相技術在失效分析中占有重要地位，是一種普遍采用、不可缺少的實驗觀測方法，但它也存在一些局限性。這些局限性，主要同金相顯微鏡的景深小、分辨率不太高等特點有關，從而導致金相顯微鏡不適用于做高倍斷口觀察。因此，在失效分析中，應該盡可能地把光

33、學金相技術同其它實驗觀測技術結合起來，使各種實驗方法相輔相成，揚長避短。1.4.4 化學成分分析在失效分析中，常常需要對失效零件的材料成分、外來物（如濺射附著物）、表面沉積物、腐蝕產(chǎn)物及氧化物等進行定性或定量分析，以便為最終的失效分析結論提供依據(jù)。失效件的化學成分分析技術包括常規(guī)分析技術、表面及微區(qū)分析技術。由于工廠、倉庫或車間混料的情況時有發(fā)生，造成零件化學成分不合格，從而導致零件失效。為此，需對失效件作常規(guī)化學分析，以便確定化學成分是否符合技術要求。1）常規(guī)分析技術 該方法主要用于分析失效零件名義或宏觀區(qū)域的材料成分， 其主要方法有: 濕法化學分析可準確分析含量較大的金屬、陰離子的有無及其

34、濃度；半定量發(fā)射光譜和原子吸收光譜用于分析合金成分；. 燃燒法用于測定金屬中的碳、硫、氫、氮、氧的含量；點滴法可簡單地定性分析金屬中的合金元素、沉淀物、腐蝕產(chǎn)物、土壤等；紅外、紫外光譜檢測有機物質。2）表面及微區(qū)分析技術 在失效分析中，相對于名義或宏觀區(qū)域的成分分析而言，失效零件的材料的表面成分及失效源區(qū)的微區(qū)成分分析更為重要，尤其是對表面損傷或者由于諸如夾雜、成分偏析等造成的失效。目前主要的分析儀器有:俄歇電子譜儀、離子探針、電子探針、X射線能譜儀、X射線波長譜儀等。在掃描電鏡上可裝配俄歇電子譜儀、X射線能譜儀、X射線波譜儀等，以滿足微區(qū)成分分析的需要。 俄歇電子譜儀：可分析5個原子層以內厚

35、度的極薄表層上除氫、氮以外的所有元素，因而可彌補電子探針分析不能檢測超輕元素的不足。俄歇電子譜儀分析的直徑為150µm。方法是逐漸剝層，因而會破壞樣品表面的結構狀態(tài)。 離子探針：可分析元素周期表上的所有元素，且所分析的元素可低達100×10-6。離子探針分析亦屬剝層分析，對原始表面有損傷作用，因而對同一表層不能作重復分析。 電子探針：它靠光學成象進行定位，廣泛應用于平坦表面微區(qū)(0.5µm)成分定性或定量分析。利用電子探針可給出所分析元素的線分布、面分布(見圖1-6)和定點區(qū)域的元素含量。所分析的元素從鈹?shù)解櫍治龅脑睾靠傻瓦_0.1%左右。電子探針對表面無損傷

36、作用，但缺點是無法分析粗糙的斷面。圖1-6 電子探針微區(qū)成分面分布X射線波譜儀：X射線的波長決定于被激發(fā)物質的原子序數(shù)，該儀器即是利用探測X射線的特征波長來進行成分分析。波長色散譜儀可分析到鈹。 一般說來，波譜儀的波長分辨率很高，這是它的突出優(yōu)點。但是為了達到譜儀的精確聚焦，要求樣品上X射線的發(fā)射源(分析點)的幾何位置嚴格地處于聚焦圓上;同時波譜儀難以在低速流和低激發(fā)強度的情況下使用，這是波譜儀的兩個主要缺點。 X射線能譜儀：X射線能譜儀的最大優(yōu)點是不損傷表面以及可同時適用于粗糙的斷口表面和磨片表面的元素分析，因而是目前失效分析中最 常用的微區(qū)成分分析儀器。X射線能譜儀是利用測量特征X射線 能

37、量來確定樣品中元素的方法。1.4.5 力學性能測試對零部件的失效分析幾乎都應當測定材料的力學性能。硬度測試簡便易行，對失效分析常常是最有用的手段之一。所得數(shù)據(jù)可用來：（1）判斷熱處理是否合乎要求；（2）初步判斷金屬材料特別是鋼材的抗拉強度；（3）檢驗由于過熱、脫碳、滲碳、滲氮和加工硬化等所引起的軟化或硬化。除了對拉伸、沖擊性能與技術要求進行比較以外，有時還需做一些比使用溫度稍高或稍低的力學性能測試，以便對零部件在服役中是否有超溫現(xiàn)象做出判斷。必要時還需要確定與損傷機理有關的其它性能，如斷裂韌度、疲勞強度、持久強度或應力腐蝕開裂傾向等。1.4.6 無損檢測在檢查失效件的同批服役件、庫存件時，常需

38、進行無損檢測，以防止同類事故的發(fā)生。若能查出第二件、第三件，則更有利于失效性質及失效原因的分析判斷。有時也需要對失效件進行無損檢測，判斷是否存在未發(fā)現(xiàn)的裂紋或缺陷等。目前，無損檢測的方法已有十多種。根據(jù)無損檢測的物理原理大致可分為：射線檢測、磁粉檢測、渦流檢測、超聲檢測、滲透檢測。1、 射線檢測X射線檢測：利用金屬基體與缺陷處對X射線的吸收與散射效應不同，即可根據(jù)感光片黑度的變化來判斷缺陷的性質、大小、數(shù)量和位置。主要適用于檢查厚度小于130mm（有的可達500mm）構件的內部裂紋及缺陷。射線檢測：射線是衰變者的同位素釋放出的一種波長介于X射線和高能X射線之間的電磁波。其檢驗原理與X射線檢驗相

39、同。多用于檢測30250mm厚鋼材內部裂紋及缺陷。2、 磁粉檢測磁粉檢測技術的原理是：通過磁粉在缺陷附近漏磁場中的堆積來檢驗鐵磁材料表面或近表面處的缺陷。檢測時，將被測材料置于強磁場中或通以大電流使之磁化，當其表面有缺陷時，磁力線通過的阻力增大，并在缺陷附近產(chǎn)生漏磁，將放在材料表面的磁性吸住，堆積形成可見的磁粉痕跡，從而把缺陷顯示出來。根據(jù)這種磁粉的圖像，就可以判斷構件表面缺陷的存在、數(shù)量、形狀、大小及分布。磁粉檢測適用于探測鐵磁性材料表面與次表面的裂紋等缺陷。3、 渦流檢測渦流檢測是以電磁感應效應為基本原理的一種無損檢測技術。即利用金屬材料在交變磁場中感應渦流的變化來判定材料的缺陷和物理特性。檢測時有交流電的線圈置于被測金屬板上或套在被測金屬管外，線圈內及其附近產(chǎn)生交變磁場，使被測物產(chǎn)生渦流，渦流的分布和大小與金屬的物理量及表面有無缺陷有關。用以探測線圈測量渦流所引起的磁場變化，可推知被測物中渦流的大小和相應變化，從而獲得有關缺陷、材質狀況和其它物理量的信息。渦流檢測適用于探測幾何形狀規(guī)則的線、棒、管材和板材中的裂紋等缺陷。4、 超聲檢測超聲檢測是利用材料自身及其缺陷的聲學特性對超聲波傳播的影響，檢測材料的缺陷或某些物理特性。其簡單原理是：由超聲發(fā)生器發(fā)出的超聲波，通過由水晶、鈦酸鋇等壓電元件構成的換能器（即超聲波探頭），以縱波、橫波、表面波或板波中任何一種形式放射到被檢物