什么是失效分析

對裝備及其構件在使用過程中發生各種形式失效現象的特征及規律進行分析研究，從中找出產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。失效形式是材料失效過程的表觀特征，可以通過適當的方式進行觀察；而失效原因是導致構件失效的物理化學機制，需要通過失效過程調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生或很少發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，經過一定的周期后所發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境發生物理或化學的反應，使材料發生損壞或變質的現象，當材料發生的腐蝕使其不能發揮正常的功能時則稱為腐蝕失效。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的局部腐蝕。局部腐蝕又分為點腐蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。 

• 磨損失效：當材料表面相互接觸或材料表面與流體接觸并作相對運動時，由于物理和化學的作用，材料表面的形狀、尺寸或質量發生變化的過程，稱為磨損。由磨損而導致構件功能喪失，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：當應力或溫度引起材料可恢復的彈性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時，就出現彈性變形失效；當受載荷的材料產生不可恢復的塑性變形大到足以影響裝備正常發揮預定的功能時，就出現塑性變形失效。

失效分析的重要環節

構件及裝備的設計要有足夠的強度、剛度、穩定性，結構設計要合理，使在特定環境中的構件，對可預見的失效形式具備足夠的抵抗失效的能力。同時，在符合使用性能的原則下選取的結構材料，對構件的成形要有好的加工工藝性能。在保證構件使用性能、加工工藝性能要求的前提下，經濟性也是必須考慮的因素。

金屬裝備及其構件往往要經過機加工、熱冷變形、焊接、裝配等制造工藝過程。若工藝規范制定不合理，則金屬設備或構件在這些加工成形過程中，往往會留下各種各樣的缺陷。如機加工常出現的圓角過小、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；在焊接時可能產生的焊縫表面缺陷、焊接裂紋、焊縫內部缺陷，焊接的熱影響區更有可能產生組織脆化和裂紋等缺陷；組裝的錯位、不同心度、不對中及強行組裝留下較大的內應力等。所有這些缺陷如超過限度則會導致構件以及裝備早期失效。

使用操作不當和維修不當也是金屬裝備失效的重要原因。違章操作、超載、超溫、超速，缺乏經驗、判斷錯誤，主觀臆測、責任心不強、粗心大意等不安全行為均可能導致裝備失效。此外，對裝備的檢查、檢修和更換不及時，或沒有采取適當的修理、防護措施，也會引起裝備早期失效。

失效分析的內容

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

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

4. 金屬材料化學成分分析：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，對金屬的表面或內部的成分進行分析和研究，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部結構和組織形貌。包括宏觀檢驗和微觀檢驗，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、裂紋兩側組織、非金屬夾雜等。

6. 微觀結構分析：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射線衍射儀等設備，觀察金屬材料的微觀結構，分析其晶體結構、成分分布等。

7. 腐蝕試驗：模擬金屬構件在實際使用中的環境條件，觀察其腐蝕速率、腐蝕形態等，評估其耐腐蝕性能，常用的方法包括鹽霧試驗和浸泡試驗。

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