故障分析定義

稱之為故障分析，是對設(shè)備及其部件在使用中出現(xiàn)的各類故障的特點和規(guī)律進行分析研究，找出故障的主要原因和預(yù)防措施。

金屬的失效形式與失效原因密切相關(guān)，失效形式是材料失效過程的表觀特征，可以通過適當?shù)姆绞接^察。失效原因是導(dǎo)致元器件失效的物理化學(xué)機理，需要通過對失效過程的調(diào)查研究和對失效元器件的宏觀和微觀分析來進行診斷和論證。

失效分析與其他學(xué)科的關(guān)系

故障分類

材料在各種工程應(yīng)用中的失效模式主要有斷裂、腐蝕、磨損和變形，其中斷裂失效危害最大。

故障形式的分類

彈性變形失效:由應(yīng)力或溫度引起的材料的可恢復(fù)彈性變形大到足以影響設(shè)備的正常性能時，發(fā)生彈性變形失效。

塑性變形失效:當受載材料不可恢復(fù)的塑性變形大到足以影響設(shè)備的正常功能時，發(fā)生塑性變形失效。

韌性斷裂失效:材料在斷裂前經(jīng)歷顯著的宏觀塑性變形的斷裂稱為韌性斷裂失效。

脆性斷裂失效:材料在斷裂前不發(fā)生或很少發(fā)生宏觀塑性變形的斷裂稱為脆性斷裂失效。

疲勞破壞:一種材料在交變載荷的作用下，經(jīng)過一定時間后發(fā)生的斷裂稱為疲勞破壞。

腐蝕失效:腐蝕是指材料表面與服役環(huán)境發(fā)生物理或化學(xué)反應(yīng)，導(dǎo)致材料損壞或變質(zhì)。使材料不能發(fā)揮其正常功能的腐蝕稱為腐蝕失效。腐蝕有多種形式，包括遍布材料表面的均勻腐蝕和僅在某些地方的局部腐蝕。局部腐蝕可分為點蝕、晶間腐蝕、縫隙腐蝕、應(yīng)力腐蝕開裂、腐蝕疲勞等。

磨損:當材料相互接觸或材料表面與流體接觸并相對運動時，由于物理和化學(xué)作用，材料表面的形狀、大小或質(zhì)量發(fā)生變化，稱為磨損。由磨損引起的部件功能的喪失稱為磨損失效。磨損有多種形式，包括粘著磨損、磨粒磨損、沖擊磨損、微動磨損、腐蝕磨損、疲勞磨損等。

失敗原因分析

不合理的設(shè)計

其中，結(jié)構(gòu)或形狀不合理，材料存在缺口、小圓弧角、形狀不一的過渡區(qū)等高應(yīng)力區(qū)。設(shè)計不當導(dǎo)致的故障很常見?？傊^載、應(yīng)力集中、結(jié)構(gòu)選擇不當、安全系數(shù)太小(求輕求快)、設(shè)計上配合不當，都會導(dǎo)致部件和設(shè)備失效。部件和設(shè)備的設(shè)計要有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性，結(jié)構(gòu)設(shè)計要合理。

分析設(shè)計原因引起的失效要特別注意:對復(fù)雜構(gòu)件沒有可靠的應(yīng)力計算；或者沒有考慮在役構(gòu)件所承受的非正常工作荷載的種類和大??；即使對于工作載荷確定和應(yīng)力分析準確的構(gòu)件，如果只考慮抗拉強度和屈服強度數(shù)據(jù)的靜力承載能力，而忽略脆性斷裂、低周疲勞、應(yīng)力腐蝕和腐蝕疲勞可能引起的失效，將會在設(shè)計中犯下嚴重的錯誤。

材料選擇不當和材料缺陷

金屬及部件的選材應(yīng)遵循可用性、加工工藝性能和經(jīng)濟性的原則，可用性原則應(yīng)優(yōu)先考慮。對于特定環(huán)境中的元件，對于可預(yù)見的失效形式，需要選擇足夠的抗失效能力。對于延性材料可能的屈服變形或斷裂，應(yīng)選擇足夠的抗拉強度和屈服強度；然而，高強度材料對于脆性斷裂、疲勞和應(yīng)力腐蝕開裂的可能環(huán)境條件往往是適得其反的。按照使用性能原則選擇的結(jié)構(gòu)材料應(yīng)具有良好的加工性能，以用于部件的成型。在保證零部件使用性能和加工性能要求的前提下，還必須考慮經(jīng)濟性。

不合理的制造工藝

金屬及其部件經(jīng)常要經(jīng)過加工(車削、銑削、刨削、磨削、鉆孔等)等制造過程。)、冷熱變形(沖壓、壓制、滾壓、彎曲等。)，焊接和組裝。如果工藝規(guī)范不合理，金屬設(shè)備或部件在加工過程中往往會留下各種缺陷。如加工中經(jīng)常出現(xiàn)的過小圓角、尖倒角、裂紋、劃痕等；熱成型和冷成型表面不均勻、不直、不圓度和裂紋；焊接過程中可能出現(xiàn)焊縫表面缺陷(咬邊、焊縫凹陷、焊縫超高)、焊接裂紋和內(nèi)部缺陷(未焊透、氣孔、夾渣)，焊接熱影響區(qū)可能因焊接過程中溫度不同而發(fā)生不同的顯微組織變化，從而導(dǎo)致顯微組織脆化和裂紋等缺陷；裝配錯位、同心度不同、不對中和強制裝配會留下較大的內(nèi)應(yīng)力等。所有這些缺陷如果超過極限，都會導(dǎo)致部件和設(shè)備的早期失效。

操作和維護不當

操作不當是金屬設(shè)備失效的重要原因之一，如違章操作、過載、超溫、超速等；經(jīng)驗不足，判斷錯誤；無知和訓(xùn)練不足；主觀臆測，缺乏責任心，粗心大意，都是不安全的行為。在一定時期內(nèi)發(fā)生的260起壓力容器、鍋爐事故中，運行中發(fā)生的事故有194起，占74.5%。設(shè)備應(yīng)該定期維修和保養(yǎng)。如果對設(shè)備的檢查、檢修和更換不及時或沒有采取適當?shù)木S修和保護措施，也會導(dǎo)致設(shè)備過早失效。

故障原因分析

導(dǎo)致故障的常見缺陷

鑄態(tài)金屬結(jié)構(gòu)缺陷

鑄態(tài)金屬常見的結(jié)構(gòu)缺陷有縮孔、疏松、偏差、內(nèi)部裂紋、氣泡和白點。

縮孔

在金屬凝結(jié)過程中，由于體積收縮，在鋼錠或鑄件中心形成管狀(或喇叭狀)或分散的孔洞，稱為縮孔?？s孔的相對體積與液態(tài)金屬的溫度、冷卻條件和鑄件的尺寸有關(guān)。液態(tài)金屬溫度越高，液固體積差越大，縮孔體積越大。將金屬倒入薄壁模具時，模具壁越薄，加熱越快，液態(tài)金屬越難冷卻。模具剛澆注時，液態(tài)金屬的體積越大，凝固后金屬的縮孔越大。

放松

在快速冷卻條件下澆注金屬，可以避免在鑄錠上部形成集中縮孔，但此時液態(tài)金屬和固態(tài)金屬的體積差仍保持一定值。雖然大的縮孔在表面上看起來已經(jīng)消除了，但是還有很多小的縮孔，也就是疏松，分布在金屬的整個體積中。

在鋼的鍛造和軋制過程中，氣孔可以得到很大的改善，但如果原鋼錠比較疏松，壓縮比不足，熱加工后仍然會存在比較嚴重的氣孔。另外，當原鋼錠中有很多氣泡，而熱軋過程中焊接不好，或者沸騰鋼中氣泡分布不好，使焊接受到影響，也可能形成疏松。

疏松的存在有很大的危害，主要表現(xiàn)在以下幾個方面:(1)鑄件中，疏松的存在顯著降低了其力學(xué)性能，可能導(dǎo)致其成為疲勞源，在使用過程中發(fā)生斷裂。在用作液體容器或管道的鑄件中，有時基本上存在相互連接的疏松，以至于不能通過水壓試驗，或者在使用過程中出現(xiàn)滲漏；(2)如果鋼中存在氣孔，也會降低其力學(xué)性能。然而，由于在熱加工過程中氣孔通?？梢詼p少或消除，所以氣孔對鋼性能的影響小于鑄件。(3)金屬中存在嚴重的氣孔，對加工后的表面粗糙度有一定的影響。

分離

在金屬凝結(jié)過程中，由某些因素引起的化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象稱為偏析。偏析包括晶內(nèi)偏析、晶間偏析、區(qū)域偏析和比重偏析。

由于擴散不充分，凝固金屬中存在晶內(nèi)成分不均勻的現(xiàn)象，即晶內(nèi)偏析。同理，在固溶體金屬中，凝固后的晶體成分與凝固前的晶體成分不同，即晶間偏析。碳化物偏析是一種晶間偏析。

鑄造鑰匙(或鑄件)時，由于通過鑄型壁的強定向散熱，在凝固的合金中形成大的溫差。結(jié)果，外部區(qū)域必然富含高熔點組分，而芯部富含低熔點組分，以及非金屬雜質(zhì)和凝固過程中沉淀的氣體。這種隔離被稱為區(qū)域隔離。

在金屬凝結(jié)過程中，如果析出晶體的密度與溶液中其余部分的密度不同，這些晶體就容易在溶液中下沉或上浮，造成化學(xué)成分不均勻，這種現(xiàn)象稱為比重偏析。晶體和其余溶液之間的密度差越大，比重偏析越大。這個密度差取決于金屬成分的密度差和晶體與溶液的成分差。如果降溫較慢，隨著溫度的降低，初晶數(shù)量增加的速度會更慢，晶體在溶液中可以自由漂浮的溫度范圍會更大，所以比重偏析會更強。

氣泡

在熔化狀態(tài)下，金屬能溶解大量氣體。在冷凝過程中，隨著溫度的降低，溶解度急劇下降，導(dǎo)致氣體從液態(tài)金屬中釋放出來。此時，如果金屬已經(jīng)完全凝固，剩余的氣體不易逸出，一部分被包含在仍處于塑性狀態(tài)的金屬中，從而形成氣孔，稱為氣泡。

氣泡的有害影響有:(1)氣泡減小了金屬鑄件的有效截面，由于其缺口效應(yīng)，大大降低了材料的強度；(2)鑄錠表面有氣泡時，可能在熱鍛過程中被氧化，在后續(xù)鍛造過程中無法焊接形成細紋或裂紋；(3)在沸騰的鋼和某些合金中，氣泡的存在也可能導(dǎo)致偏析和裂紋。

白點

在腐蝕后的斷面上，有許多短而不連續(xù)的細裂紋。在縱剖面上，會發(fā)現(xiàn)表面光滑、呈銀白色的圓形或橢圓形斑點，稱為白斑。

以鎳、鉻、錳為合金元素的合金結(jié)構(gòu)鋼和低合金工具鋼最容易出現(xiàn)白斑。奧氏體鋼和萊氏體鋼從未發(fā)現(xiàn)過白點。鑄鋼中也可能發(fā)現(xiàn)白點，但極其罕見；偶爾，焊接工件的熔融金屬中會產(chǎn)生白點。白點的產(chǎn)生也與鋼的大小有關(guān)。截面直徑或厚度小于30mm的鋼材不易產(chǎn)生白點。

通常白點鋼的縱向抗拉強度和彈性極限降低不多，但延伸率明顯降低，尤其是面積收縮率和沖擊韌性降低更多，有時接近于零。并且這種鋼的橫向力學(xué)性能遠低于縱向力學(xué)性能。所以有白點的鋼一般不能用。