金属部件的故障可能是由下列任何因素或多种因素的组合引起的:
- 设计的缺点
- 由于错误的加工或制造而产生的缺陷
- 过载和其他服务滥用
- 不适当的保养和修理
- 环境因素
并非所有的失败都是灾难性的。许多故障包括性能的逐渐退化或过度变形或磨损,直到部件不再具有功能。由磨损或一般腐蚀侵蚀引起的故障通常不是重大故障,但每年造成巨大的材料损失和停机时间。当然,壮观的灾难顺序的早期失败吸引了最多的注意力——这是正确的。然而,所有的故障都应该引起研究者的注意,因为它们降低了生产效率,浪费了关键材料,增加了成本。在某些情况下,它们会造成相当大的损害或人身伤害。最后,失败可能导致昂贵的诉讼。
不幸的是,企业和大学通常都没有充分重视发展和鼓励执行服务故障分析的科学(或艺术)和传播这类信息的必要性。在某些情况下,会进行调查,但相关制造商可能不希望公开分享结果信息。在其他情况下,可能不会不愿意分享这类信息,但报告渠道不充分,无法向那些可能受益的人提供这类信息,进而提供反馈。最后,即使是在一个给定的组织中,故障分析数据和结论也可能无法充分地传达给设计人员,以便他们能够实施旨在开发改进产品的设计更改,或者传达给运营人员,以便他们能够消除加工问题并改进质量控制。
不是所有的故障都需要全面、详细的故障检查。由于有许多类型的“例行”故障,这个过程可以很简单,但仍然有效。大多数制造商都能接受对其产品的建设性批评。如今,很少有制造商坚持他们的产品从来没有错的旧哲学。
个人背景,包括专业领域和专业经验,当然会影响进行考试的方式。例如,土木或机械工程师可能会对引起失效的应力和载荷进行非常仔细的检查,但可能不会对冶金因素给予太多关注。同理,冶金学家可能会仔细地整理出失效的所有重要的材料方面,但可能只会对机械方面进行肤浅的研究。当操作人员、焊接工程师或腐蚀工程师进行检查时,也可能出现类似的方法不平衡。由于很少有工程师完全了解与给定故障有关的所有可能的相互作用的规程,团队工作通常是能够产生故障原因的完整图像的唯一方法。
失效分析的基本方法
首先,研究者不应该带着关于失败原因的先入为主的观念来进行检查。考试本身应该被设计成测试广泛的条件,但又不能太过详尽,以致因花费过多或时间过多而变得不切实际。调查的设计包括所选试验的适当顺序;例如,错误的序列可以引入人工制品或掩盖,甚至破坏重要的证据。即使是一个精心设计的考试也可能无法达到目的,除非它进行得仔细和系统。
当一系列测试产生了精确定位问题的数据时,工作仍然没有完成。研究人员应尽可能在其报告中包含旨在通过替代设计、材料、加工、热处理或制造技术消除问题的具体建议。他应该与设计师、制造商、压力工程师或其他专家一起审查这些建议,以便这些更改将产生预期的结果,而不会引起其他问题。应调查类似部件的潜在问题,以便采取纠正措施防止类似故障的发生。
失效分析过程
下面概述了故障分析应遵循的基本步骤和可用的技术范围。那些需要额外细节的步骤将在后续章节中展开。下面列出的基本步骤可能并不都适用于每个调查,执行这些步骤的顺序也会有所不同,这取决于调查的性质。
收集后台数据,包括:
- 所有与故障有关的信息
- 零件的历史,即加工和维修的历史
- 相关的规范、规范和标准
对故障区域和相邻区域进行目视检查,以确定并以照片或示意图的方式记录:
- 失败的起源
- 应力集中器的存在
- 断口表面有回火颜色或水垢
- 应力的方向和大小
- 失效模式及机理
- 裂纹扩展方向和破坏顺序
- 贡献缺陷的存在
- 尺寸和其他物理数据
进行显微镜观察的考试。
进行化学分析,并将结果与规范或标准进行比较。分析任何重要的表面腐蚀产物,沉积物或涂层。
确定机械性能,并与规格或标准进行比较。
进行宏观检查以评估同质性、完整性和质量。
进行金相检查以评估显微组织特征。确定锻件的热加工方向及其与应力取向的关系。
执行显微硬度测试,以测量外壳深度,评估冷加工,确定焊接质量,并帮助识别相。
用电子显微镜进行高倍金相检查,研究光显微镜不能分辨的相。
微探针任何关键异常,如夹杂物和分离物,它们太小,无法进行批量分析。
使用x射线技术来确定:
- 残余应力水平
- 不同晶体结构相的数量,特别是马氏体中的残余奥氏体和奥氏体中的三角洲铁素体
- 西格玛相的存在,碳化物和化合物的识别。
进行模拟测试,以评估材料的关键特性(如在特定环境中的应力腐蚀开裂倾向),以确定脆化程度,或确认热处理或淬硬性的方法。
总结和分析所有相关数据。必要时向专家咨询。
写报告并分发出去。该报告应包括预防未来问题或现有类似设备出现问题的建议。
遵循这些建议。
组装背景资料
在研究人员能够明智地选择那些测试和程序,并据此最好地分析故障之前,他必须首先制定部件的完整案例历史,包括故障的细节和制造历史的信息。下面列出了需要确定的重要项目。
有关失败组件的信息:
- 位置,名称,识别号码,所有者,用户,制造商,制造商
- 的功能项
- 故障时的使用寿命
- 项目额定值,运行等级,正常和异常负荷,负荷频率,环境
- 材料
- 所使用的制造和制造技术,包括管理组件的制造、制造、检验和操作的规范和代码
- 正常应力方向,工作温度范围,压力,速度
强度和韧性 - 热处理、应力消除或其他热处理2022世界杯抽签完整视频
- 制造程序,如焊接,粘合连接,涂层,螺栓连接,铆接
- 生产过程中的检验技术和质量控制报告;服务和维护记录。
故障信息:
- 故障日期和时间,温度,环境
- 损坏程度,故障顺序,伤害
- 故障发生时的运行阶段
- 故障及其邻近区域的蓝图、照片或草图
- 任何可能导致故障的服务偏差
- 操作人员对故障的意见
调查人员应仔细研究现有的图纸和其他图形记录,以获得故障部件的全面图片。这些资料也有助于评价压力。必要时,研究人员应前往故障地点进行第一手检查,以便选择关键区域进行检查。如果可能的话,研究者应该在材料的结构和外观因处理、修复尝试、腐蚀或其他因素而发生改变之前,立即前往失效地点或获得失效部件。
在开发该部件的案例历史时,研究人员应熟悉制造该部件所使用的材料、加工和制造技术。花在研究未知事物上的时间通常会在调查过程中得到回报。
视觉检查
在调查人员进行目视检查之前,他应该询问报告未能保护部件免受进一步损坏的人。有时,在调查人员发现故障之前,重要的证据已经因为粗暴的处理或暴露在腐蚀物中而被破坏了。
在整个失效研究的目视检查阶段,所有重要信息都应适当记录或拍照,以便向所有相关方展示和描述这些信息。彩色照片有时需要显示污染物,焦化和回火颜色。在进行破坏性测试之前,应将所有可能的信息从样本中提取出来。研究人员在进行充分的目视检查之前,往往会将标本切开。应仔细记录从损坏部件上切下的任何样品的位置和方向。在切片、研磨、抛光甚至处理过程中都应该小心谨慎,以避免产生可能导致错误结论的工件。(金相学技术在ASM金属手册第8版第8卷中有描述。)
研究者应保持骨折起裂区与失效时一样。例如,任何锯切、放射状切割或燃烧都应该在远离骨折起始区的地方进行。断裂面不应接触任何液体,应保持干燥和清洁。如果部件必须运输,应仔细包装,以使断口面不会与其他部件摩擦,并在运输过程中保持干燥。由于回火会改变原有的微观组织、力学性能和精细断裂特征,因此非常坚硬的工件不应为了锯切而回火。相反,应该使用放射性切割或其他一些不会改变接收条件的技术。如果使用燃烧(即氧乙炔或等离子弧切割),应在离裂缝足够远的地方进行,以便热量不会改变条件。
如果断裂面因腐蚀、火灾或摩擦而严重改变,则破坏分析可能会严重受损。轻微的腐蚀和污垢或油脂可以很容易地去除,以便进行准确的宏观检查和断口成像。(断口学技术在ASM金属手册第8版第9卷中有详细描述)如果断口被火或回火加热,细部特征将被破坏,但宏观外观仍然可见。对断裂面的摩擦会抹掉细部特征,在许多情况下,还会抹掉宏观特征。如果要进行断口成像,就不应该对断口面进行重新定位,因为这几乎总是会干扰精细特征,使断口成像无法进行。
仔细的宏观检查是极其重要的。显然,如果要获得任何结论性的结果,就必须确定故障的起源。当正确解释时,断裂特征描述了加载方式,施加应力的水平,所涉及的机制,以及材料的相对延性或脆性。断裂特征经常揭示其他细节,如硬化情况的存在,表观晶粒尺寸和内部缺陷。设计引起的应力集中、材料缺陷、制造缺陷或加工缺陷的存在,应在目视检查中检测出故障的位置。可能需要磁粉检查或染料渗透检查等技术来检测或引出紧密的表面缺陷。可能需要超声检查或射线照相来检测和定位内部缺陷,以便对其进行切片和检查。
以下是检查断裂部件的通常操作顺序:
- 可视化地查看整个组件,以获得对组件的总体理解。必要时,拍摄重要细节。
- 从宏观的角度将失效分类为延性、脆性、疲劳、扭转等。
- 通过追溯裂缝的起始点来确定失效的起源。
- 根据裂缝特征,估计加载方式(拉伸、压缩、弯曲等)、相对应力水平(高、中、低)和应力方向。
- 如果需要进行高倍镜检查,可以使用断口学技术来确定裂缝模式(穿晶或晶间),并检测与裂缝相关的其他特征。断口学还可以通过观察各种韧窝类型、小面、条纹、河痕等来确定断裂机制。通过这种方式,可以评估材料在环境和应力、条件下的行为。
从故障部件的随机位置或故障起始点切割盘的宏观检查通常是非常有用的。宏蚀刻后的这种检查将使研究者能够评估或观察以下内容:
- 内部质量
- 氢片
- 种族隔离
- 表面情况
- 缺点或缺点
- 硬度穿透深度
- 流行
- 焊接件
通过对失效部件表面进行宏观腐蚀,可产生磨焦、擦伤和其他表面损伤。特殊的打印技术(如硫、氧化物、铅和磷的打印)对于揭示这些元素在检查剖面中的分布是有用的。
并非所有的失效都涉及断裂。例如,许多故障的发生是由于过高的磨损或腐蚀速率。这样的失效很难分析,因为缺陷金属已经不存在了。然后,研究必须基于剩余材料的性质。但是,应该记住,这种材料并不总是代表缺失的材料。
磨损和腐蚀失效很难分析,因为许多因素,其中一些可能不明显,影响这些问题。磨损失效是一个复杂的问题,可大致分为粘着磨损和磨粒磨损。磨损率取决于许多因素:所使用的材料(包括接触面)、负载、温度、滑动速度、表面光洁度和润滑方式(如果有的话)。通过目视检查识别磨损问题的类型是失效检查中非常重要的第一步。
许多腐蚀失效并不涉及断裂。例如,腐蚀失效的一个常见最终结果是泄漏。几种不同的机制可能引发泄漏故障。电偶腐蚀,缝隙腐蚀,点蚀,选择性浸出。一般腐蚀可能会导致重量损失过大,削弱部件,直到在载荷作用下变形或开裂。其他类型的腐蚀机制(如晶间腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳和腐蚀性脆化)通常与涉及裂缝的腐蚀失效有关。无论如何,要确定导致失效的腐蚀机制,不仅需要仔细的目测检查,而且还需要稍后描述的其他测试。
无论调用什么后续测试,可视化检查仍然是任何故障检查的基础。
Microfractography
宏观断口检查往往不足,不能正确评价有色金属和铸铁的断口形式。应力腐蚀裂纹和含腐蚀的裂缝不能仅通过宏观检查来确定。断裂面上出现的材料异常也容易使宏观检查复杂化,因此需要进行显微断口检查。
在某些情况下,使用电子显微镜或扫描电子显微镜(SEM)检查是确定断裂模式和机理的唯一有效方法。光学显微镜没有足够的景深来完全满足对粗糙表面的高倍率检查。扫描电镜允许更简单的标本制备和消除伪影。此外,当扫描电镜配备了能量分散分析功能时,它能够分析在断裂面上观察到的夹杂物或腐蚀物。
最近开发的一种工具是扫描俄歇微探针,它能够在原子尺度上分析表面。该工具在分析表面膜和检测引起回火脆的杂质偏析方面非常有用。
微断口学使研究断裂的进展速度和表征材料的延性或脆性成为可能;断裂机制通常很容易辨别。还可以对断裂史进行定量描述。总之,微断口成像是一个非常强大的工具;它的应用通常对失效检查的成功是至关重要的。
化学分析
因为混合物偶尔会发生在工厂,仓库,或在制造车间,因为这样的混合物可能是故障的来源,一个失败的组件应该进行化学分析,以确定是否确实如声称的级别。在所有故障中,有一小部分是由等级混合引起的。
除了分析材料的大块成分以验证等级外,研究人员可能需要通过x射线衍射和湿分析法等技术分析表面污染物。也可以利用扫描电镜和电子微探针。ASTM标准第32部分(1973)描述了基本的分析技术。读者被引导到这个来源,因为一个特定研究的特定分析技术的选择的影响因素的讨论超出了本文的范围。
材料特性
一旦知道了施加在失效部件上的载荷,无论是通过估计还是通过记录,都必须评估材料的性能,以确定材料是否能够承受这些载荷。一个好的案例历史通常会提供诸如使用载荷条件是否在材料规范和设计考虑所允许的范围内的信息。在几乎所有复杂的失效检查中,研究人员都应确定目标材料的硬度和机械性能以及与失效机制有关的任何其他性能,如韧性、持久极限、蠕变强度或应力腐蚀开裂倾向。已经开发了许多测试程序来表征材料的性能,研究人员应参考ASM金属手册(第8版)第1卷和适当的ASTM规范。测量的性能将与规格和典型性能数据进行比较,以揭示任何异常,如可能由不适当的加工或脆化反应引起的异常。
金相检验
金相评价在确定失效原因方面也极为重要。通常只有通过金相检查才能观察到影响因素;因此,必须经常进行金相检验。
显微镜检查使研究人员能够评估失效部件的微观结构特征。微观组织对材料的性能及其在使用过程中的行为有很大影响。通常,这种检查可以查明在加工、热处理、表面处理、铸造和焊接过程中出现的错误。微观结构评估非常有助于确定在组件上实际执行了什么加工方法和处理,或者是否计划的加工步骤被意外地忽略或错误地执行。显微硬度测试也可以是一个重要的辅助;它可以用来评价表面现象,帮助识别微结构,评价局部冷加工,测试非常薄的材料,或评价焊接。
电子显微镜
透射电子显微镜使金相学家能够检查用光学显微镜无法分辨的微观组织的细微特征。因此,它经常被用来确定珠光体间距或粒子间间距。选择区域衍射技术可以用来识别析出相。还可以确定基体和析出相之间的界面关系。可以研究沉淀反应,并可以评估恢复、再结晶或晶粒生长的程度。事实上,研究位错密度或辐射损伤等特征需要电子显微镜。
电子探针分析
电子探针分析常常需要识别光学显微镜检查中观察到的未知特征。它在识别复杂的夹杂物、水垢、表面层、涂层、浓度梯度、相、析出相和偏析物时非常有用。然而,微型探针仅限于检验抛光标本。
x光技术
许多x射线技术可用于失效分析。Debye-Scherrer相机可以识别耐火材料或矿物中的腐蚀产物和相。衍射仪可以应用于定性或定量的化学分析与哈纳沃特方法索引或使用荧光分析。基体和析出相的取向也可以确定。表面沉积可以用反射法或衍射法进行分析。化学提取的第二相粒子可以通过衍射来识别。衍射仪用于测量残余应力,并确定在诸如薄板蒙皮通过等过程中的冷加工量。变形纹理可以使用反向或全极点图来确定。通过直接比较法,衍射仪可以用来测定存在的相的数量,如热处理钢中的残余奥氏体或奥氏体钢中的铁素体。
模拟
有时,研究人员必须模拟在使用过程中遇到的环境条件,以确定材料对环境条件的适用性,并确定事先热处理或其他处理对材料使用性能的影响。例如,不适当的热处理可能使材料容易受到某些类型的攻击。案例历史中所报告的热处理模拟对于确认和进一步的测试都是有价值的,特别是在比较的基础上(例如,在接收和经过各种实验热处理后的失效材料的韧性的比较)。某些类型的模拟测试需要加速测试,以便在合理的时间长度内获得所需的信息。对加速试验数据的解释必须小心。
在可行的情况下,对没有在使用中失效的类似部件进行检查,对于评估研究中观察到的异常的重要性是最有帮助的。模拟也可以在可接受的部件上进行,并将结果与失效部件上的类似测试数据进行比较。
分析数据
在进行分析时,研究者应该将他的观察结果与零件的历史进行交叉核对,并注意任何矛盾。通常正是这种矛盾揭示了失败的可能原因。在评估这些因素和评估它们的重要性时,研究者不仅应该利用他的经验,而且应该利用他自己的专业领域以外的相关学科。
完成上述程序后,冶金学家准备解释和总结他所收集到的事实。某些特征的缺失往往与这些因素的存在同样重要。大多数失败是由一个以上的因素引起的,尽管经常有一个因素起主导作用。同样,冶金学家应该利用自己的知识和经验以及其他人的知识和经验来确定和评价这些因素的重要性。有时,考虑到数据的性质或有关特定因果机制的知识的理论状态,最终结论可能只是研究者对最重要因素的最佳判断的问题,并且应该在报告中这样陈述。
对故障的检查和对与设计、操作和环境有关的各种条件的研究应提出以下问题:
- 失败的顺序是什么?速度吗?的路径?
- 有一个或多个起始点吗?
- 失败是在地表还是地表以下开始的?
- 故障是由应力集中器定位的吗?
- 裂缝持续了多长时间?
- 载荷的强度是多少?
- 加载是静态的、循环的还是间歇性的?
- 压力的方向是怎样的?
- 失效机制是什么?
- 故障发生时的温度大概是多少?
- 温度重要吗?
- 穿着是一个因素吗?
- 腐蚀是一个因素吗?什么类型的攻击?
- 使用了合适的材料吗?需要更好的材料吗?
- 横截面是否足够?
- 材料的质量是否符合等级和规格要求?
- 组件是否经过适当热处理?
- 组件是否制作正确?
- 组件是否正确装配、对齐等。
- 部件在使用期间维修过吗?正常吗?
- 组件是否正常运行?
- 组件是否得到正确维护?润滑吗?
- 失败是由服务滥用引起的吗?
- 设计是否可以改进以防止类似的故障?
- 其他类似的设备或单元也可能发生故障吗?
- 我们能做些什么来防止这些失败呢?
综合起来,我们前面列出的各种类型的调查,在大多数情况下,将使冶金学家能够回答这些问题中的大多数。由于无论研究人员如何努力,都不能确定失败的原因或原因,所以他应该陈述他认为最可能的原因或因素,以及其他合理的可能性。无论如何,应该明确哪些调查结果是基于已证实的事实,哪些结论是推测性质的。
分析故障的报告应该以清晰、简明、有逻辑的方式书写。它的结构应该清晰,各节涵盖以下内容:
- 失败项的描述
- 故障时的条件
- 背景历史对失败很重要
- 失效的力学和冶金学研究
- 对材料质量的评估
- 任何异常的讨论
- 对导致故障的机制或可能机制的讨论
- 预防未来故障或对类似设备采取行动的建议
多余的数据应该被省略,并且,根据问题和数据的性质,不是每个报告都需要对上面列出的每个部分进行全面处理。很多时候,读者可能包括没有受过技术训练的采购、运营或会计人员。如果是这种情况,报告应该写得让这些人都能理解。至少,报告中与他们的决策或信息需要有关的部分应以他们能够理解的语言编写。通常情况下,总结最重要的发现和建议的行动的求职信是接触对技术细节不感兴趣但需要关键发现和建议作为决策基础的高级管理人员的好工具。
对建议的后续行动往往是一项艰巨的任务,但应该对更严重的失败进行后续行动。研究人员、设计人员、制造商和用户之间的合作对于开发良好的、可操作的更改是至关重要的。
结论
那些经常进行故障检查的人同意几个要点。如果采取了一些记录良好的预防措施,大多数故障是可以很容易避免的。许多故障都是由于疲劳造成的,而且以下一个或多个因素可能起决定性作用:原始设计缺陷,材料不足,加工或制造缺陷,滥用或忽视,不适当的维护,不适当的修理,以及冶金因素,如脱碳。热处理不规范是导致故障的另一个主要因素。
执行故障分析是一项极具挑战性和令人兴奋的工作。研究人员必须在其测试和分析工作的核心领域有良好的背景,还必须有足够的知识,知道何时调用与他的工作相关联的其他专业领域。新问题总会遇到,这些新问题考验着研究者的聪明才智,而如果他愿意继续学习,这些新问题就会使他的技能得到磨砺和扩展。出于同样的原因,国内外许多研究人员对黑色和有色金属工业的失效分析,多年来扩展了加工和产品开发的实用知识,也有助于基本的科学见解。。
乔治范德Voort具有物理、工艺和机械冶金方面的背景,从事金相学研究已有48年。他是ASTM委员会E-4金相学的长期成员,在金相学和失效分析方面发表了大量文章。他定期为ASM国际教授MEI课程,现在正在做网络研讨会。他是斯特鲁厄斯公司的顾问,不久将为他们授课。联系他的电话是1-847-623-7648,EMAIL: georgevandervoort@yahoo.com,网址:www.georgevandervoort.com
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