什么是失效分析

对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施，称为失效分析。金属材料的失效形式及失效原因密切相关。失效形式是材料失效过程的表观特征，可以通过适当的方式进行观察；而失效原因是导致构件失效的物理化学机制，需要通过失效过程调研研究及对失效件的宏观、微观分析来诊断和论证。

金属材料的失效形式

材料在各种工程应用中的失效模式主要由断裂、腐蚀、磨损和变形等组成，其中断裂失效的危害性最大。

 • 断裂失效：材料在断裂之前产生显著的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂失效；材料在断裂之前没有发生或很少发生宏观可见的塑性变形的断裂称为脆性断裂失效；材料在交变载荷作用下，经过一定的周期后所发生的断裂称为疲劳断裂失效。 

• 腐蚀失效：腐蚀是材料表面与服役环境发生物理或化学的反应，使材料发生损坏或变质的现象，当材料发生的腐蚀使其不能发挥正常的功能时则称为腐蚀失效。腐蚀有多种形式，有均匀遍及材料表面的均匀腐蚀和只在局部地方出现的局部腐蚀。局部腐蚀又分为点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳等。 

• 磨损失效：当材料表面相互接触或材料表面与流体接触并作相对运动时，由于物理和化学的作用，材料表面的形状、尺寸或质量发生变化的过程，称为磨损。由磨损而导致构件功能丧失，称为磨损失效。磨损有多种形式，其中常见粘着磨损、磨料磨损、冲击磨损、微动磨损、腐蚀磨损、疲劳磨损等。 

• 变形失效：当应力或温度引起材料可恢复的弹性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现弹性变形失效；当受载荷的材料产生不可恢复的塑性变形大到足以影响装备正常发挥预定的功能时，就出现塑性变形失效。

失效分析的重要环节

构件及装备的设计要有足够的强度、刚度、稳定性，结构设计要合理，使在特定环境中的构件，对可预见的失效形式具备足够的抵抗失效的能力。同时，在符合使用性能的原则下选取的结构材料，对构件的成形要有好的加工工艺性能。在保证构件使用性能、加工工艺性能要求的前提下，经济性也是必须考虑的因素。

金属装备及其构件往往要经过机加工、热冷变形、焊接、装配等制造工艺过程。若工艺规范制定不合理，则金属设备或构件在这些加工成形过程中，往往会留下各种各样的缺陷。如机加工常出现的圆角过小、倒角尖锐、裂纹、划痕；冷热成形的表面凹凸不平、不直度、不圆度和裂纹；在焊接时可能产生的焊缝表面缺陷、焊接裂纹、焊缝内部缺陷，焊接的热影响区更有可能产生组织脆化和裂纹等缺陷；组装的错位、不同心度、不对中及强行组装留下较大的内应力等。所有这些缺陷如超过限度则会导致构件以及装备早期失效。

使用操作不当和维修不当也是金属装备失效的重要原因。违章操作、超载、超温、超速，缺乏经验、判断错误，主观臆测、责任心不强、粗心大意等不安全行为均可能导致装备失效。此外，对装备的检查、检修和更换不及时，或没有采取适当的修理、防护措施，也会引起装备早期失效。

失效分析的内容

1. 金属材料外观检验：通过对材料、零部件或设备的外观进行检查，可以初步了解其损坏的程度和位置，为后续分析检测提供基础。

2. 金属材料无损探伤检测：无损探伤检测可以帮助人们了解金属材料或零部件的内部损伤、缺陷等问题。常见的无损探伤检测方法包括超声检测、磁粉检测、射线照相检测、涡流探伤等。

3. 金属材料力学性能测试：包括拉伸试验、压缩测试、硬度测试和冲击韧性测试、弯曲试验等，测定材料的抗拉强度、弯曲强度、冲击韧度、硬度等力学性能，可以帮助人们了解金属材料或零部件的强度、塑性等性能。

4. 金属材料化学成分分析：利用X射线和荧光分析、能谱分析、俄歇分析、电子探针、离子探针、激光探针等方法，对金属的表面或内部的成分进行分析和研究，了解其成分组成。

5. 金属材料金相组织观察：金相组织观察可以帮助人们了解金属材料或零部件的内部结构和组织形貌。包括宏观检验和微观检验，检查是否有宏观缺陷、组织特征是否符合加工工艺、裂纹特征、裂纹两侧组织、非金属夹杂等。

6. 微观结构分析：借助显微镜、透射电镜、扫描电镜、俄歇电子能谱仪、离子探针、X射线衍射仪等设备，观察金属材料的微观结构，分析其晶体结构、成分分布等。

7. 腐蚀试验：模拟金属构件在实际使用中的环境条件，观察其腐蚀速率、腐蚀形态等，评估其耐腐蚀性能，常用的方法包括盐雾试验和浸泡试验。

综上所述，失效分析是一个系统性、综合性的工作，它涉及到材料科学、力学、制造工艺、使用环境等多个方面。通过失效分析，我们可以深入了解材料失效的本质和原因，为改进材料性能、提高装备可靠性提供有力的技术支持。