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1、第 7 章 失效分析基础知识 7.1 金属构件中的常见缺陷 近十年部分失效案例统计 铸造缺陷 锻造缺陷 焊接缺陷 热处理缺陷 机加工缺陷 7.1.1 铸造缺陷 一、冷隔 定义：金属液体充型后，在金属液的交接处融合不好，在铸件中产生穿透的或不穿透的缝隙。形貌：冷隔多呈裂纹状或具有光滑边缘的水纹外貌。其显微特征是金相组织比基体组织粗大，树枝状结晶明显，周围常被氧化皮所包围，因而与基体组织有明显界线。危害：破坏组织的连续性和完整性，降低强度，成为疲劳断裂的应力集中部位。二、气孔 定义：金属在熔融状态溶解大量气体，在冷凝过程中气体由于溶解度的减小而析出，绝大部分气体能够逸出金属表面，残余的少量气体在金
2、属构件内部形成气孔。形貌：大小不等的圆形、椭圆形及少数不规则形状（如喇叭形），孔内一般无氧化和夹杂，断口形貌特征为光滑、干净的内壁。但因空气卷入而引起的气泡，则常因氧化而呈现暗蓝色或褐黑色。危害：减小有效界面，产生缺口效应；热锻时氧化，以致锻压时不能焊合形成细纹或裂缝。三、针孔 定义：溶解于合金液中的气体在凝固过程中析出时，因某种原因而残留在铸件中形成的针状孔洞，是小于或等于 1 毫米的小气孔。环境因素环境因素24.524.5加工与装加工与装配 42配 42冶金与材冶金与材质 16.1质 16.1设计设计 9.1 9.1其它其它 8.4 8.4形貌：针孔在铸件中呈狭长形，方向与表面垂直、有一定
3、深度，孔内表面光滑，一般在表面处孔径较小，向内逐渐增大。危害：降低铸件的承载能力、持久极限和耐腐蚀性。四、缩孔 定义：金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。危害：显著降低力学性能、抗腐蚀性能和抗疲劳性能，成为断裂源或腐蚀源。(a)明缩孔 (b)凹角缩孔 (c)芯面缩孔 (d)内部缩孔 五、缩松 定义：铸件断面上出现的分散而细小的缩孔。缩松的孔洞多而小，似海绵状，常出现在铸件最后凝固的部位，如在缩孔的下方或铸件截面的中央（轴线缩松）。危害：降低力学性能 成为疲劳源 气压或液压时出现渗漏 六、白点 定义：合金液中的
4、氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于合金内，形成局部高压，远超钢的强度，产生裂缝。在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形或椭圆形的斑点，横向界面呈现较多短小的不连续的发丝状裂缝（发纹)。危害：使断面收缩率和冲击韧性显著降低，产生氢脆。白点 发纹 七、夹杂物 定义：固态金属基体内的非金属物质。铸件中常见的夹杂物包括耐火材料、熔渣、熔剂、脱氧产物及铸造金属氧化物等，一般又可分为硫化物、氧化物、氮化物和硅酸盐等。危害：对韧性危害较大；显著降低抗腐蚀性和抗疲劳性；以尖角形、网状、串链状存在时危害极大。V2O3 夹杂物铸造 危害：导致铸件组织不均匀，性能不均匀，易造成应力集中，降低韧性和抗腐蚀性。九、石墨
5、漂浮（球墨铸铁铸造缺陷）定义：球墨铸铁断口上的一层密集的石墨，呈均匀黑斑状，石墨形态为石墨球破裂形成的菊花状或开花状。常出现在铸件厚大断面的上表面、砂芯的下表面和铸件的死角处。产生原因：主要为铸件的壁厚太大，冷却速度太慢，球化剂过量而引起的。（石墨的密度远比铁水轻，聚集石墨易上浮）危害：严重削弱了球铁的力学性能，使材料的强韧性指标明显下降。十、石墨粗大（又称为石墨集结或石墨针孔）定义：多出现在铸铁件厚大部位且均匀分布，为充满石墨粉的空洞。其金相组织特征表现为粗大石墨片，通常在机加工后发现，在加工面上表现为充满石墨粉的边缘粗糙的孔洞，呈灰墨色，其断口晶粒粗大，常出现在铸件的上表面。危害：导致力学
6、性能下降，气压试验时有渗漏现象。产生原因：铁液中促进石墨化元素太多，碳当量太高或孕育剂使用过量；由于铸铁组织的遗传性，金属炉料中过多使用组织粗大的生铁锭，造成石墨粗大缺陷；铸件壁厚相差悬殊时，为防止产生白口，必须提高碳当量，造成厚壁处产生石墨粗大缺陷。十一、白口组织 定义：铸件断面出现亮白色的组织，并且很难进行机械加工。一般位于铸件的薄壁处、棱角或边沿。产生原因：铁水的碳当量太低，铁水凝固时析出渗碳体导致铸件产生白口缺陷；铁水氧化严重，使铁水中的促进石墨化元素大量烧损，或孕育剂太小，使实际加入量减少，导致渗碳体的析出，形成白口缺陷；铸件壁厚不均，或冷铁使用不当，导致局部冷却过快，造成白口组织缺
7、陷的形成；铸型分型面不平整，使铸件产生的飞边冷速过快，导致铸件边缘产生白口缺陷。十二、铸造热裂纹 定义：发生在金属完全凝固之前，在固相线附近的液固共存区，由于金属收缩受阻而形成的裂纹。该裂纹常常延伸到铸件表面，暴露于大气之中，受到严重氧化和脱碳或发生其它大气反应。形貌：连续或断续分布，有时呈网状或半网状，裂纹短而宽，无尖尾，形状曲折，无金属光泽(呈氧化色)。微观上为沿晶断裂，伴有严重的氧化脱碳，有时有明显的偏析、疏松、杂质和孔洞等。十三、铸造冷裂纹 定义：发生在金属凝固之后，由于冷却时所形成的热应力、组织应力及搬运、清理、校正时的热振作用而产生。形貌：冷裂纹不如热裂纹明显，裂纹细小，呈连续直线
8、状。微观上为穿晶扩展，基本上无氧化脱碳，两侧组织和基体相差不大。冷裂纹大多出现在铸件的最后凝固部位，特别是在应力集中的内尖角、缩孔、夹杂部位及结构复杂的铸件上容易产生。7.1.2 锻造缺陷 一、折叠 定义：锻件一部分已氧化的表面金属折入锻件内部，使金属形成的重叠层缺陷。形貌：折叠从表面开始，开口较大，两侧较平滑，有程度不同的氧化脱碳现象，尾部圆秃，内存氧化物夹杂，一般与金属表面呈锐角，或与金属流线方向一致。危害：是一种尖锐的不连续缺陷，引起应力集中，成为疲劳源，或热处理时扩展成为裂纹。二、分层 定义：锻件金属局部不连续而分隔为两层或多层。产生的主要原因是金属中存在未焊合的裂纹、非金属夹杂物、缩
9、孔、气孔等缺陷，在锻造后使金属局部不连续而分隔为两层或多层。危害：破坏材料的连续性，降低力学性能，引起应力集中。三、锻入的氧化皮 定义：一般情况下，金属表面极易氧化，尤其在锻造加热过程中，极易形成表面氧化皮，如 Fe、Si 和 Mn 的氧化物。这些氧化皮(氧化膜)在锻压过程中被锻入金属内部形成缺陷，其显微特征为沿金属流线呈点状、线状或条状分布。危害：如同非金属夹杂物一样，破坏金属连续性、引起明显的应力集中，降低疲劳性能，成为疲劳源。四、流线不顺 定义：锻件流线不沿零件主要轮廓外形分布，严重时会形成涡流，穿流或紊流流线。涡流即锻件流线呈旋涡状或树木年轮状。穿流即金属流线在锻件肋条或凸台根部被穿断
10、，破坏了金属流线的连续性。紊流则呈不规则而紊乱的流线。危害：引起组织突变、降低力学性能和疲劳强度，造成许多潜伏的裂纹源和腐蚀源。五、锻造裂纹表面裂纹、内部裂纹（1）表面裂纹 钢材表面出现的网状龟裂或缺口，是由于钢中硫高锰低引起热脆（沿晶形成低熔点共晶体），或因铜含量过高引起铜脆（沿晶富集低熔点铜合金）、或锻件加热温度过高引起过热（晶粒粗大）或过烧（晶界局部熔化），从而引起表面沿晶龟裂。幻灯片 24（2）内部裂纹 锻件截面过大或材料导热性差、加热过快，导致内外温差过大，变形极不均匀，形成过大的内用力引起内部开裂；或锻造温度过低，存在粗大柱状晶、网状或块状碳化物、疏松等缺陷使材料脆性较大，在锻造应
11、力下开裂。六、粗大魏氏组织 定义：热轧或者停锻温度较高，A 晶粒粗大，在随后冷却时先析出物（F 或Fe3C）沿晶界析出，并以一定方向以针状或片状向晶粒内部生长，或平行排列，或成一定角度，这种形貌称为魏氏组织。危害：使材料脆性增加，强度下降!提醒：重要件不允许有魏氏组织存在，需采用退火或正火消除。七、网络状碳化物及带状组织 定义：碳化物成网络状或带状分布 危害：使材料脆性增加，性能呈各向异性，破坏了材料性能的均匀性和连续性。可采用多方向锻造和采用较大的锻造比来消除网状和带状组织。图 2-7 网络状碳化物(a)及带状组织(b)八、表面脱碳 加热过程中钢件表层碳元素强烈烧损，导致表层渗碳体减少铁素体
12、增多，强度硬度降低，受力时容易开裂或弯曲变形；脱碳层切削加工去除。7.1.3 焊接缺陷 一、焊接裂纹 焊接裂纹是指焊件在焊接中或者焊后的退火、存放、装配、使用过程中产生的各种裂纹。（1）按裂纹分布的走向分：横向裂纹、纵向裂纹、星形裂纹（2）按裂纹发生部位分：焊缝裂纹、热影响区裂、焊缝热影响区贯穿裂纹 （3）按产生本质分：热裂纹、冷裂纹、再热裂纹、层状撕裂（1）热裂纹 又叫高温裂纹，在高温下产生，而且都是沿奥氏体晶界开裂。形貌：必然是沿晶裂纹，其断口具有明显的氧化色特征，裂缝内腔及附近晶界或多或少地存在有硫化物、磷化物、碳化物、氧化物、硼化物等夹杂。根据所焊材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和
13、主要原因也各有不同，因此又把热裂纹分为结晶裂纹、液化裂纹和多边化裂纹三种。结晶裂纹：发生在焊缝金属凝固后期的高温下，凝固金属收缩产生拉应力，而低熔点共晶和杂质沿晶界形成一定数量的“液态薄膜”，在拉应力的作用下，导致沿晶开裂，其断口具有氧化色彩。主要产生在含杂质较多（特别是含硫、磷、硅、碳较多）的碳钢、低合金钢、镍基合金以及某些铝合金的焊缝中。液化裂纹：在焊接热循环作用下，钢材近缝区或多层焊的层间金属含有的低熔点化合物被重新熔化，形成“液态薄膜”，在收缩拉应力作用下，沿奥氏体晶间发生开裂。母材和焊丝中的硫、磷、硅、碳偏高时，液化裂纹的倾向将显著增加。多边化裂纹：产生在固相线以下稍低温度，发生在已
14、凝固的晶界前沿。由于金属存在位错和空位等晶格缺陷及物理化学的不均匀性，在高温和应力作用下，缺陷迁移聚集形成多边化边界，使塑性下降，在焊接应力作用沿多边化边界开裂。多发生在纯金属或单相奥氏体合金的焊缝中或近缝区。（2）冷裂纹 在相当低的温度，大约在钢的马氏体转变温度附近，由于拘束应力、淬硬组织和氢的作用下，在焊接接头产生的裂纹。冷裂纹主要发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的热影响区。断口形貌：呈亮晶状结晶断口，无氧化色，微观形态以马氏体的解理断裂为主，并混有沿晶断裂的混合型断裂。根据产生裂纹的主要原因的不同，又可分为淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)、低塑性脆化裂纹和延迟裂纹三种。淬硬脆化裂纹(淬火裂纹)：
15、钢在冷却过程中，过冷奥氏体发生了马氏体相变，形成硬而脆的淬硬层组织，在焊接应力作用下产生裂纹。低塑性脆化裂纹：有些塑性较低的材料焊接，冷却时由于收缩力引起的应变超过了材料自身的塑性极限或材质变脆而产生裂纹。延迟裂纹：在焊后几分钟、几十分钟乃至几天以后产生，具有延迟性质。主要取决于钢种的淬硬倾向、焊接接头的应力状态和熔敷金属中的扩散氢含量。（3）再热裂纹 焊后焊接接头在一定温度范围再次加热而产生的裂纹（焊后去应力热处理或高温使用）。再热裂纹产生在焊接热影响区的过热粗晶部位，并且具有沿晶扩展的特征，裂纹的走向是沿熔合线附近的粗大晶粒晶界扩展，遇到细晶组织停止扩展。再热裂纹产生的三个特点：再加热之前
16、焊接区存在较大的残余应力并有程度不同的应力集中，二者必须同时存在，否则不会产生再热裂纹。再热裂纹的产生与再热温度和时间有关，存在一个敏感温度区，对于一般低合金钢，约在 500700C(硬脆的沉淀相沿晶析出）。含有一定沉淀强化元素（Cr、Mo、V、Nb、Ti 等）的金属材料（低合金高强钢、珠光体耐热钢、奥氏体不锈钢和某些镍基合金）才具有产生再热裂纹的敏感性，普通碳素钢和固溶强化的金属材料，一般不产生再热裂纹。（4）层状撕裂 大型厚壁结构焊接过程中在钢板的厚度方向承受较大的拉伸应力，沿钢板轧制方向出现一种台阶状的裂纹。主要是由于轧制钢材的内部存在有分层的夹杂物(特别是硫化物)和在焊接时产生了垂直轧
17、制方向的较大应力。（4）层状撕裂 层状撕裂是一种内部的低温开裂，一般在表面难以发现，其主要特征是呈现阶梯状开裂，在撕裂的平台部位常可发现不同类型的非金属夹杂物（如 MnS、硅酸盐和铝酸盐等）。常出现在 T 型接头、角接头和十字接头中，一般在对接接头很少发现，但在焊趾和焊根处由于冷裂纹的诱发也会出现层状撕裂。二、气孔 溶入熔池焊缝金属中的气体（CO2、H2、N2、水蒸汽等），在金属凝固前未来得及逸出，而在焊缝金属表面或内部形成的孔穴。根据起因不同，气孔可分为孤立的、线状排列的和群集的三类。CO2 形成的气孔，其外形主要呈条虫状；由 H2 形成的气孔，其外形主要有针孔形和圆型；由 N2 形成的气孔
18、，其外形多呈表面开口的气孔。三、夹渣 焊后残留在焊缝金属内部或熔合线上的熔渣或非金属夹杂物。如：残留在手工电弧焊、埋弧焊焊缝中的熔渣、CO2 气体保护焊焊缝中的氧化物夹杂、钨极保护焊焊缝中的钨电极夹杂等。四、焊缝成形不良 包括有焊瘤、咬边、烧穿、未填满、未焊透、焊缝外形尺寸不符合要求等。焊瘤：熔融金属流到焊缝根部之外而后凝固所形成的金属瘤。咬边：母材和焊缝交界处，在母材表面形成的沟槽或凹陷。烧穿：焊接过程中熔化金属自坡口背面流出，形成穿孔的现象。未填满：焊缝金属不足，沿焊缝长度方向在焊缝表面形成的连续或断续沟槽。未焊透：母材与母材，熔敷金属与熔敷金属，母材与熔敷金属之间局部未熔合的现象。焊缝外
19、形尺寸不符合要求：焊缝隆起面过高过陡，高低不平，宽度不等，焊波粗劣等现象。7.1.4 热处理缺陷 一、氧化和脱碳 氧化：材料中的金属元素在加热过程中与氧化性气氛发生作用，形成金属氧化物层的一种现象。脱碳：钢铁材料在加热过程中表层的碳与加热介质中的脱碳气体相互作用而烧损的现象。根据脱碳程度可分为全脱碳层和半脱碳层两类，全脱碳层的显微组织为全部铁素体。表层脱碳后强度硬度降低，容易发生变形甚至开裂。二、内氧化 热处理过程中合金内部沿晶界形成氧化物相或脱碳区的现象，其深度可达十几个 m。形成内氧化的倾向与合金中的组元和氧的亲合力的大小有关，如在钢中含有比铁更活泼的易氧化元素 Cr、Mn、Si、Mo 等
20、，极易发生内氧化。在钢材的气体渗碳和碳氮共渗层中常常出现由于内氧化形成的组织缺陷。在热处理介质中，若含有不纯物质如硅酸盐等时，也易引起材料内氧化。发生内氧化的构件，其断口呈粗糙状，沿晶形成黑色的氧化物。三、淬火裂纹 淬火龟裂：表面脱碳的高碳钢零件，在淬火时，因表面层金属的比容比中心小，在拉应力作用下产生龟裂。裂纹为沿晶扩展，一般较浅，很少氧化。淬火直裂：细长零件在心部完全淬透情况下，由于组织应力作用而产生纵向直线淬火裂纹。裂纹为穿晶扩展，一般起源于应力集中或夹杂处，裂纹尾端尖细。四、过热、过烧 过热：是指热处理时由于加热温度过高和保温时间过长，使奥氏体晶粒粗大而引起的力学性能恶化的现象。过热可
21、以通过适当的退火或正火消除。过烧：当钢加热到接近熔化温度，并在此温度长时间停留，不仅奥氏体晶粒长大，同时由于氧化性气体渗入到晶界，使晶间物质 Fe、C、S 发生氧化，形成易熔共晶体氧化物，导致晶界熔化和氧化，这种现象称为过烧。过烧是致命的加热缺陷，严重过烧的钢只能回炉重新冶炼，局部过烧的钢，可以将过烧部分切去，剩余部分还可以使用。五、淬火软点 钢件淬火后，局部出现未硬化或者硬度不足的小区域。六、回火脆性 钢件在某一温度范围内回火后，出现冲击韧度或断裂韧度降低的现象，碳化物转变及合金元素和杂质元素向奥氏体偏聚引起。断口齐平，组织粗糙，银灰色，颗粒状；电镜形貌为岩石状或冰糖块花样；多以沿晶断裂为主
22、，局部有解理或准解理断裂。幻灯片 50 七、石墨化脆性 也称黑脆，碳素工具钢或弹簧钢在退火处理时，由于加热温度高、保温时间长、冷却缓慢或重复退火次数过多，使钢中的渗碳体分解析出石墨，并在石墨周围形成大块铁素体，石墨化的结果增加了钢的脆性。断口一般为灰黑色，无金属光泽，可见石墨夹杂物或者石墨碳颗粒。八、网状或大块状碳化物 热处理介质碳势过高，保温时间过长，温度过高，冷速过慢，导致碳化物聚集形成大块状或者网状分布。九、粗大马氏体和残余奥氏体 淬火过程中，加热温度过高，保温时间过长，使 A 晶粒急剧长大，淬火后出现粗大 M 和大量残余 A。脆性增加，硬度下降。幻灯片 52 7.1.5 机加工缺陷 一
23、、磨削加工缺陷（1）磨削裂纹：工件在磨削过程中形成很复杂的应力状态（包括磨削力、摩擦力、热应力、组织应力），当总应力超过工件强度极限时，即导致磨削裂纹产生。（2）表面损伤：工件表面在磨削热和磨削力的作用下，引起表面组织发生变化，即发生磨削变质。（3）表面烧伤与剥皮：磨削表面有明显的烧伤痕迹，烧伤同时，往往伴随磨削裂纹或剥皮。磨削加工缺陷破坏表面组织、性能、粗糙度，影响装配质量，成为失效隐患。幻灯片 54 二、切削加工缺陷（1）切削裂纹：在应力作用下，成为疲劳源而扩展，大大降低疲劳寿命。（2）几何形状误差：具有微观几何形状误差的两个表面，在相对运动时会产生摩擦阻力，产生磨损。（3）表面粗糙度过大
24、：增大零件的摩擦和磨损；降低零件的接触刚度；影响配合性质的稳定性；降低机械零部件的结合密封性；增加流体在管道中的流动阻力，增大摩擦损失；降低疲劳极限。（4）刀痕、深沟痕、毛刺：成为应力集中源，导致疲劳断裂。（5）拐角半径过小：引起局部应力集中，易产生微裂纹，并扩展成疲劳裂纹，导致疲劳断裂。（6）加工精度不符合要求：影响工件装配质量及应力状态分布，降低零件的抗失效性能。一、划痕 在运输、安装等过程中，钢材表面受到机械刮伤形成的沟痕，也称刮伤或擦伤。划痕缺陷的存在能降低金属的强度；对薄钢板，除降低强度外，还会像切口一样地造成应力集中而导致断裂；尤其是在压制成型时，它会成为裂纹或裂纹扩展的中心。对于
25、压力容器来说，表面是不允许有严重的划痕存在的，否则会成为使用过程中发生事故的起点。二、斑疤 金属表面由于处理不当而造成的粗糙不平的凹坑，凹坑深度一般为 23mm。这些凹坑存在于板材上，尤其是在薄板上，不仅能成为板材腐蚀的中心，在冲制时还会因此产生裂纹。此外，在制造弹簧等零件用的钢材上，是不允许存在斑痕缺陷的，因为容易造成应力集中，导致疲劳裂纹的产生，大大地影响弹簧的寿命和安全性。一个机械零件或部件的加工过程是复杂的，往往要经过铸、锻、焊、机加工、热处理等所有环节，每一个环节的缺陷都会对构件的失效产生影响。同时，在零件的失效中，又往往不是单个因素的作用，有时是多个因素共同作用导致早期失效，这在失效分析时应引起足够注意。