深入解析构件失效形式与实验研究：全面掌握变形、断裂、腐蚀与磨损失效特征

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对构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征进行分析研究，找出其特征；对构件在使用过程中发生各种形式失效现象的规律进行分析研究，找出其规律；从这些分析研究中找出产生失效的主要原因；从这些分析研究中找出防止失效的措施

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

断裂失效包括：a 韧性断裂失效；b 脆性断裂失效；c 疲劳断裂失效。

腐蚀会导致失效。其中包括局部的腐蚀情况，如点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂以及腐蚀疲劳；还有全面的腐蚀情况，像均匀腐蚀和不均匀腐蚀。

(4)磨损失效。

因为失效分析有其目的和要求，所以通常还需要进行实验研究。本文主要是围绕实验研究来讲以下这些方面的检验。

1、宏观检验

用肉眼或放大镜来检验金属表面、纵横断面以及断口上的各种组织和缺陷，这种方法被称为宏观检验。通过宏观检验，能够展现金属的整体情况，能显示出其组织的不均匀性以及各种缺陷的形态和分布。对于颜色、腐蚀、断裂裂纹的萌生位置以及裂纹的走向等，都能够快速且准确地进行识别。并且可以进行断口的宏观分析。能够获取断裂表面的整体概貌特征，还能在一定程度上知晓破坏的缘由。可以明确失效件断裂的裂纹产生的地点，裂纹的拓展方向，分辨断裂的类型，判断构件所承受的应力类型，以及环境介质、温度对构件断裂产生的影响，还有变形程度和磨损状况。

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，取样部位及数量需按照有关标准来进行。同时，要严防因温度升高而导致组织发生变化。切取试样可以采用锯、剪、气割和砂轮切割等方式。如果用气割来切取试样，就必须将热影响区除去，以避免对检验结果产生影响。试样的检验面可以用车、刨、磨以及用金相砂纸（02 号砂纸）进行磨制，要使表面粗糙度不低于 3.2，并且要用汽油、酒精、苯等对其进行清洗去油。

酸浸试验方法有三种。

第一种是热酸浸蚀试验法。

主要用于被浸蚀剂有选择性地浸蚀，比如表面缺陷、夹杂物、偏析区等，从而表现出可看得见的浸蚀特征。酸蚀试验的效果取决于浸蚀剂的成分，以及浸蚀的温度、浸蚀时间和浸蚀面的光洁度。

第二种是冷酸浸蚀试验法。

冷酸浸蚀试验法是用于检查钢的宏观组织和缺陷的一种简便方式。在冷酸浸蚀过程中，会使用室温下的酸溶液对样面进行浸蚀和擦蚀，其目的是将试样的缺陷显示出来。通常，对于某些钢材或工件，它们不使用热酸浸蚀。比如，工件已经加工好，不方便切开，并且不能损坏工件的表面粗糙度。还有一些情况，像有些组织缺陷用热酸不容易显现，有些奥氏体不锈钢用热盐酸不容易腐蚀。在这些情况下，都可以使用冷酸浸蚀法来进行试验。

第三种电解酸蚀法。

电解酸蚀法是一种试验方法，即用 15%至 20%（容积比）的工业盐酸水溶液来电解试样表面。这种方法的优点在于，能够使用较稀（15%至 20%）的盐酸水溶液在室温下进行浸蚀，从而缩短腐蚀时间，并且能够极大地改善劳动条件和卫生环境。此外，电解腐蚀后盐酸的性质改变幅度较小。一般情况下，盐酸可以循环使用，这样能节约酸液。用电解法来显示试样的宏观组织及缺陷，其效果比热酸浸蚀法更为清晰。

(2)塔形试验

塔形试验是一种特殊试验，用于检验发纹不同深度的分布。因为检验的试样被制成“塔”的形状，也就是三级阶梯形，所以通常把这种试验称为塔形试验。

塔形试验通常分为三个阶梯。试样加工的要求大致与热酸浸试样相同。在试样检验之前，需要进行热酸浸，其酸浸液以及酸浸规范基本和热酸浸试验一样，只是一般浸蚀的程度稍微轻一些，不然会对后续的检验和鉴别产生不利影响。经过酸浸之后，在各个阶梯上会出现一些长度和深度都有一定限度的细小裂纹，也就是发纹。最后通过肉眼或者不大于 10 倍的放大镜来进行检查与鉴别。发纹沿着轧制方向进行分布，它是具有一定长度和深度的细小裂纹。通常因为这种裂纹很窄，光线无法照射到底部，所以仅仅能够看到有深度的黑色线条。在顺光的情况下，那些个别比较宽的发纹，能够看到灰暗色的底部。

(3)硫印试验

硫在钢中以硫化物（如 FeS、MnS）的形式存在。硫化铁与铁的共晶温度为 989°C，它会呈网状分布在晶界处。在热压力加工时，这种分布极易导致“热脆”现象产生，从而直接对钢材质量造成影响。硫印的目的在于显示硫在钢中的分布以及偏析的程度。硫印是借助稀硫酸与钢中的硫发生反应，进而生成硫化氢气体。硫化氢会与印相纸乳剂层中的溴化银发生作用，接着在印相纸上生成棕色硫化银沉淀。通过观察印相纸上硫化银棕色斑点的数量、大小、色泽深浅以及分布的均匀性，就能够对碳钢、低中合金钢的质量进行评定。

宏观检验的方法有多种，各自有它们的特点及适用范围。

酸浸试验适用于疏松、偏析、流线、裂纹等情况；塔形发纹检验常用于有特殊用途或高级优质的材料，以检验其各个部位的发纹数量与分布；硫印试验可用于测定钢锭或钢材上硫的分布，还能间接地推测和估计其他元素的分布概况与趋势。各种方法在使用时各有其侧重之处，有的可以单独使用，有的则可以同时一并使用，它们能够相互补充，目的是为了达到准确测试的效果。

2、微观检验

宏观检验可以获得不少信息，然而，若要知晓更多的细节以及相关情况，就必须再次进行微观观察。

通过微观分析断口，不但能进一步弄清楚断裂的途径、断裂的性质，以及环境介质和温度对断裂的影响，还能进一步明确断裂的原因及其断裂机理等详细情况。在对断口进行显微分析时，可以运用光学显微镜、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展开研究。

3、金相检验

金相检验是常规的实验分析方法。它在失效分析时能提供被检材料的大致种类和组织状况。从检验出的显散组织可推断或证实被检材料制造过程中经历的工艺过程，还能判断执行这些工艺是否正常。同时，它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情况，这种腐蚀情况大致可以定性，也能对腐蚀程度进行半定量；还反映出失效件发生的磨损、氧化以及严重的表面加工硬化等情况，并且可以初步确定这些情况的程度。从失效件上的裂纹出发，借助光学金相，能够大致看出裂纹发生以及延伸分布的特征，还能看到裂纹两侧的显微组织，以此来判断裂纹的性质，进而可以提供失效件裂纹的产生原因，以及夹杂物的类型、级别和分布，还有相的类型、大小和分布。

4、无损检验

在测定断裂部件的性能时，要从断裂件上获取样本，这种检验是有损的。为了知晓原有构件的缺陷以及裂纹的分布情况，首先应当进行无损探伤。

无损探伤包含多种方法，其中有用于了解表面裂纹的着色探伤，还有用于磁粉探伤的方法；同时也有用于探测内部缺陷及裂纹分布的超声探伤，以及 X 光探伤和涡流探伤等方法。

超声波探测深度能够达到几米。它特别适合用于检查零件内部的裂纹等情况，能够准确测出缺陷的位置、大小和形状。比如能检查零件内部的气孔、夹渣、砂眼、疏松、未焊透等。然而，它不能用于奥氏体钢的铸件和焊缝等粗晶材料以及复杂形状或表面粗糙的工件检测。近年来，超声波被广泛地用来检验金属材料的质量，并且逐步成为金属材料预检或正式检验的手段。

涡流探伤可以检验表面或表皮下的缺陷以及全部导电材料，能够实现自动记录和高速检验，适合连续监测，不过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以及体积型缺陷，像气孔、夹渣、缩孔、疏松等，还能提供永久性的照片记录。然而，射线照相方法不能用于检测锻件和型材中的缺陷。

磁粉探伤可用于探测铁磁性材料和工件的缺陷，像锻件、焊缝、型材、铸件等。它能确定缺陷的位置、大小和形状。然而，难以确定缺陷的深度。此方法不适用于探测非铁磁性材料，例如奥氏体钢、铜、铝等的缺陷。

渗透探伤的应用范围较为广泛。它能够用于探测所有金属材料的缺陷，也能够用于探测致密性非金属材料的缺陷。通过该方法可以确定缺陷的位置、大小和形状，然而却不能确定缺陷的深度。并且，此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

化学成分分析在失效分析中是不可或缺的。它可以为失效分析提供有价值的信息。像因选材错误而导致的失效，仅通过化学成分分析就能够得出结果。

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。粉末照相法可以识别基体金属的腐蚀产物，以及耐火材料和矿物中的各种相。通过 X 射线衍射和荧光分析，能够对化学成分进行定性和定量分析，能够测定基体和析出的相，以及它们之间的取向，还能测定电化学萃取的第二相粒子、表面沉淀和腐蚀产物的成分与结构。X 射线衍射法能够测量材料的晶格参数、晶体缺陷以及残余内应力。不过，它不像显微镜那样可以直观地进行观察，并且无法将形貌观察与晶体结构分析微观同位地结合在一起。其分析样品的最小区域仅处于毫米数量级，无法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

测定材料的硬度和力学性能常被用于对零部件进行失效分析。硬度的测量较为简便且易于实施，在失效分析中常常是非常有用的手段之一。它可用来估计金属材料的拉伸强度，还可用于估计热处理是否符合质量要求，以及检验因过热、脱碳、渗碳、渗氮和加工硬化等情况所导致的软化和硬化等。

力学性能测定通常要进行金属的拉伸试验以及冲击试验，这样便于进行比较。有时还得做一些力学性能测量，这些测量的使用温度比正常温度稍高或者稍低，以便能够对零部件在服役过程中是否出现超温情况作出判断。另外还需要考虑特殊性能测定，像疲劳试验、应力腐蚀试验、韧脆转变温度测定以及断裂韧性测定等。

在钢材的初步检验过程中，通过简单的弯曲试验就可以查明材料是韧性的还是脆性的。硬度测量能够指示钢材的抗拉强度。然而，对于铸铁和大多数非铁金属材料，不能用弯曲和硬度测量来进行评估，只能用拉伸来测量，这是由于尚未建立起硬度与拉伸强度的对应关系。一般来说，像铝、铜及其合金这样的非铁金属，其塑性较大，用简单弯曲无法反映出脆性或塑性的程度。在与说明书的数据进行比较时，需要注意到试样取向和材料加工方向之间存在着关系。一般情况下，横向试样的拉伸强度要比纵向试样的拉伸强度小一些。

通常来讲，因拉伸强度不够而导致损坏的情况不是很多。所以，力学性能测试主要有两个作用，一是进行复检，二是确定可以排除力学性能引发损坏的担忧。

7断裂力学分析

失效分析应用断裂力学测量的目的，一是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；二是确定含有裂纹部件的寿命。前者要判断部件成品材料的断裂韧度是否合理，若不合理就必须设法提高该部件的断裂韧度，以避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，而不会误判它过早退役。断裂力学考虑裂纹扩展的速率。

目前常用的评价断裂韧性的方法包含：进行平面应变断裂韧度（K1c）的测试；开展动态撕裂试验（DT）；运用 J 积分断裂判据（J1c）；实施裂纹张开位移（COD）测试；以及进行动态断裂韧度（K1d）测试。

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