《失效分析》（教学课件）

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1、7 金属构件加工 缺陷与失效,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,1、冷隔 冷隔是存在于铸件表面或表皮下的不连续组织，是由两股未能相互融合的金属液流汇合所形成的不规则线性缺陷。,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，冷隔缺陷一般出现在铸件顶壁上，薄的水平面和垂直面上，厚薄转接处及薄肋处等部位。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,2、气孔,金属在熔融状态溶解大量气体，在冷凝过程中，绝大部分气体逸出，残余的少量气体则在金属构件内部形成气

2、孔或称为气泡。在砂型铸造时，砂中的水分与液态金属发生作用，也可能形成气泡。此外，液态金属在浇注和在铸型腔内流动的过程中，空气或铸型内的特殊气氛可能被机械地卷入而引起气泡。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,气孔常呈大小不等的圆形、椭圆形及少数不规则形状（如喇叭形），产生于钢锭边缘一带的气泡常垂直于型壁。孔内一般无氧化和夹杂，气孔的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。,气孔常出现在铸件最后凝固的厚大处或厚薄截面的交接处。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,3、针孔 溶解于合金液中

3、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。针孔在铸件中呈狭长形，方向与表面垂直、有一定深度，孔内表面光滑，一般在表面处孔径较小，向内逐渐增大。,通常，针孔无规则地分布在铸件的各个部位，特别是厚大截面处，内转角及冷却速度缓慢的部位。但在有色金属内有时也在晶粒内呈规则的排列。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,4、缩孔 由于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。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,5、

4、疏松 铸件组织不致密，存在着细小且分散的孔穴称为疏松（或缩松）。疏松产生的基本原因与缩孔相似。在有色金属铸件内，有时会发现沿晶界分布的疏松，也称为晶间疏松，黑色金属中很少见。通常，疏松细小而分散，表面或内壁不光滑，常可见到明显的较粗大的树枝状结晶，严重时可产生裂纹。一般情况下，疏松区域的夹杂也比较集中。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,6、夹杂物 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的颗粒，一般又可分为硫化物、氧化物、氮化物和硅酸盐等。绝大多数非金属夹杂物没有金属光泽；不同的夹杂物具有不同的色泽与形

5、状，其熔点和性质亦各不相同。非金属夹杂物在反射光下的色泽，随显微镜观察时所用的光源的性质不同而有改变；只有在暗场或偏振光下才能看到夹杂物的固有色彩。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,鉴别夹杂物的方法有宏观的和微观的两大类：,宏观鉴别法：较为常用的有断口鉴别法、硫印、酸侵和热蚀、超声波鉴定法等；,微观鉴别法：常用的有化学分析法、岩相法、金相法、X-Ray衍射和电子显微镜观察等，可以确定夹杂物的种类、形状、性质和分布，其中金相法的使用最为广泛。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,MnS与FeS固溶体型夹杂物，球状或共晶状 ，良好的塑性，抛光时不易剥落 ，明场中FeS

6、为淡黄色，MnS呈蓝灰色。随MnS含量的增加由带浅蓝的灰色变为深灰色，然后再变得稍微透明而具有黄绿色；暗场下不透明；偏光下各向异性，不透明。易受10%铬酸、碱性苦味酸钠和20%氢氟酸溶液的侵蚀。,硫化物,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,SiO2夹杂物,石英（六方晶系）、磷石英（斜方晶系）、方石英（属立方晶系，属四方晶系）。非晶体SiO2 ，大小不同的典型小球 ，明场中呈深灰色，常随其中所含的杂质不同而具有不同的色彩，中心有亮点，边缘有亮环；暗场中无色透明，鲜明地发亮；偏光下透明并有暗十字。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,Al2O3夹杂物,无确定形状。硬脆，不易磨光，易剥落 ，常在磨光面上留下

7、曳尾。 明场中呈深灰带紫色；暗场中透明，呈 亮黄色；偏光下各向异性，但颗粒小时各向 异性不明显。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,TiN夹杂物,立方晶系。呈有规则的几何形状，如正方形或长方形等 。无可塑性，易剥落。受煮沸的20%氢氟酸溶液侵蚀。明场中呈淡黄色；随基体中含碳量的增加，其色彩依淡黄粉红紫红而变动。暗场中不透明，周界为光亮的线条所围绕；偏光下各向同性，不透明。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,7、偏析 合金在冷凝过程中，由于某些因素导致的化学成分不一致称为偏析。,（1）区域偏析 （2）比重偏析 （3）枝晶偏析,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.

8、1常见铸造加工缺陷及形貌,8、热裂纹 热裂纹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。,显微形貌特征为呈连续或断续分布，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。,2,7.1 铸造加工缺陷与失效,7.1.1常见铸造加工缺陷及形貌,9、冷裂纹 冷裂纹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。冷裂纹不如热裂纹明显，裂纹细小，呈连续

9、直线状。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的部位，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。,2,7.2 锻造加工缺陷与失效,7.2.1 常见锻造加工缺陷及形貌,1、折叠 锻件一部分表面金属折入锻件内部、使金属形成重叠层缺陷，称为折叠。,折叠是金属在锻轧过程中，变形流动金属与已氧化的金属汇合在一起而形成。轧锻时产生的尖角，耳子一般均较薄，冷却速度较基体快，易氧化而形成一层氧化皮，因而不能再与基体金属互相焊合而产生折叠。在锻件的截面突变出、枝杈结构处，由于金属的多向流动易于形成折叠。,2,常见的有：存在于轧件一侧的贯穿全

10、长的折叠；在轧件两边相对称的侧面上贯穿全长的折叠；或存在于锻、轧件全长上断续状的分散折叠（模锻件或轧件上的分散折叠石具有周期性分布的）；拔长件横断面上的横向折叠；线材、管材上的横向全长折叠或局部折叠等。,形成折叠的主要原因有：铸锭或坯料表面存在缺陷（疤痕和不平整、粗大的刮伤、轧辊表面有磨损或剥落；模具表面缺陷）；锻、轧前金属加热不良；锻模、轧槽设计不合理；锻、轧工艺或操作不当；冷拔工艺不当等。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,锻、轧件表面上存在的折叠，在很多情况下与裂纹等缺陷难以区别，因此正确地判断与区分这些缺陷的性质，对失效件的分析和以后采取相应得工艺和措施以防止其产生，是极其重要的。,折叠

11、从表面开始，其高倍特征是开口较大，两侧较平滑，有程度不同的氧化脱碳现象，尾端圆秃，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。,对有色金属型材上的折叠进行微观分析时，在折叠缝内及其两侧，通常见不到氧化物夹杂，两侧无脱碳组织。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,2、分层 锻件金属局部不连续而分隔为两层或多层称为分层。 缺陷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。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,3、锻入的氧化皮 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

12、物，铝合金则形成Al2O3氧化膜。这些氧化皮(氧化膜)是在合金熔炼，浇注或前道轧锻工序中形成的，并且在锻压之前或之中都不能消除，它的作用如同非金属夹杂物，其显微特征为沿金属流线呈点状或线状(条状)分布。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,4、流线不顺 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。 穿流即在锻件肋条或凸台根部金属流线被穿断，破坏了金属流线的连续性。 紊流则呈不规则而紊乱的流线。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,5、裂纹 锻件内部的裂纹有两种类型：内部纵向裂纹和内部横向裂纹。,（1）内部纵向裂纹 在锻坯横断面上呈十字型（所

13、以也称为十字裂纹）或条状，有的甚至穿透锻坯中心延伸至表面与空气接触而被氧化。有的裂纹没有暴露在锻坯端部，因此不与大气相通，开裂面未被氧化。由于在锻造过程中开裂面之间存在摩擦，当剖开时可以观察到开裂面有磨光和发亮的情况。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,十字形裂纹形成的原因是锻造温度低，锻坯拔长时，沿着切应力最大的对角线上产生的交变应力引起。当锻坯中保留着粗大柱状晶时易导致裂纹形成。高速钢由于内部组织中存在着莱氏体共晶、网状及块状碳化物或疏松等缺陷，在锻造过程中易出现此种裂纹。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,（2）内部横向裂纹 主要位于锻坯中心部位：裂纹断面呈粗糙状，属沿晶断裂性质。,内部横向

14、裂纹产生的主要原因是毛坯在加热或锻 造过程中，由于加热不均或工艺参数不当，其表层 金属的变形(如伸长)大于心部金属的变形，而导致 心部受拉应力，当拉应力超过材料自身的抗拉强度 时，心部将出现横向裂纹。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,（3）龟裂 锻件表面呈龟壳网络状的裂纹称龟裂或网状裂纹。其形成的主要原因是过热、过烧、渗硫、渗铜等。,锻件加热温度过高，引起晶粒粗大或过烧，氧沿晶渗入生成氧化物，削弱了晶粒间结合力，降低了塑性变形能力，或热疲劳使锻件局部强度降低，应力增大，以致在锻造加工时沿晶界出现表面龟裂。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,钢材或燃料中含硫量过高，引起金属晶界渗硫，在晶界上形成低

15、熔点的硫化亚铁和Fe的共晶体，其共晶温度低于1000，在正常的锻造温度下，晶界即被熔化，经锻造后形成龟裂(称热脆)。,锻件含铜量过高(0.2%)，并在氧化气氛中加热，在钢的表面氧化皮下，富集一层熔点低于1100的富铜合金，在锻造加热温度下即熔化，并浸蚀表面层的晶界，锻造时形成龟裂称为铜脆。在加热炉中含有残存的铜杂质时，也会因融熔的铜沿晶界渗入而引起龟裂。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,6、过热与过烧 金属坯加热温度超过始锻温度，或在高温下长时间保温，致使奥氏体晶粒迅速长大，或终锻温度过高而剩余变形量(剩余锻造比)又小，这时高温引起的晶粒长大，不能由剩余变形量对晶粒的破碎作用所抵消，因而形成粗

16、晶粒组织的现象，称为过热。,过热钢锻件，断面粗糙灰暗，属沿晶断裂，高速钢锻件，断口晶粒粗大，有金属光泽，属穿晶断裂。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,锻件加热温度接近熔点温度，或长时间在氧化性气氛的高温炉中保温，不仅使奥氏体晶粒极为粗大，而且炉中的氧以原子形式渗入晶界处，使Fe，S等元素氧化，形成低熔点的氧化物或共晶体，造成晶界早期熔化，破坏了晶粒间的联系，这种现象称为过烧或烧毁。,过烧的钢在锻造时一触即裂，裂口宽大，裂纹沿晶扩展，两侧严重氧化脱碳，沿晶界形成网状氧化物夹杂及脱碳组织。,7.2 锻造加工缺陷与失效,2,1、焊接裂纹 焊接裂纹是指焊件在焊接或焊后的退火、存放、装配，使用过程中产生的各种裂纹，它是焊接缺陷和焊接应力共同作用的结果。,焊接裂纹按其性质可分为热裂纹、冷裂纹和延迟裂纹三种。,7.3 焊接加工缺陷与失效,2,（1）热裂纹 热裂纹大部分是在结晶过程中产生的裂纹，所以又叫结晶裂纹或高温裂纹。根据所焊材料不同，产生热裂纹的形态、温度区间和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。,形貌 焊