王 榮

(1. 上海材料研究所, 上海 200437; 2. 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

機(jī)械裝備的失效分析(續(xù)前)第4講 金相分析技術(shù)(下)

王 榮1,2

(1. 上海材料研究所, 上海 200437; 2. 上海市工程材料應(yīng)用與評價重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 上海 200437)

3 光學(xué)顯微技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用

3.1 拋光態(tài)檢測的應(yīng)用

非金屬夾雜物的檢驗(yàn)以及鑄鐵中石墨的檢驗(yàn)均不需要對金相試樣進(jìn)行侵蝕，均可直接在拋光態(tài)下進(jìn)行觀察;對于一些表面鍍層以及涂層的檢測和厚度測量，也可直接在拋光態(tài)下進(jìn)行。在失效分析中，一些微裂紋擴(kuò)展形貌在拋光態(tài)下觀察反差較大，干擾小，特征顯示比較明顯；有些合金的組成相若以游離態(tài)存在時，在拋光態(tài)下觀察會顯示不同的顏色；還有材料中的疏松、聚集的非金屬夾雜物(或稱夾渣)、試樣表面的點(diǎn)蝕坑等都適宜在拋光態(tài)下觀察。圖10是筆者在失效分析過程中拍攝的幾種材料的拋光態(tài)金相圖片。

圖10 幾種材料的拋光態(tài)形貌Fig.10 Polished state morphology of several materials:(a) micro cracks; (b) different forms of graphite in gray cast iron; (c) chromium plating on steel surface

3.2 侵蝕態(tài)檢測的應(yīng)用

材料中的各種組成相以及晶界在化學(xué)試劑中或電解時的腐蝕速率不同，金相試樣經(jīng)侵蝕后其表面會留下能反映材料組織特征的顯微凹凸，它們對光的吸收和反射存在差異，從而在光學(xué)顯微鏡(OM)下反映出各種各樣的顯微組織。在失效分析中，除正常觀察各種材料的顯微組織，對各種組成相進(jìn)行評級，對各種化學(xué)熱處理后的表層顯微組織等進(jìn)行顯示外，在分析氧化脫碳層、表面硬化層、焊接接頭各區(qū)域的組織特征、鑄態(tài)組織、表面組織變形等各種缺陷時都需要對金相試樣進(jìn)行侵蝕。材料不同，其顯微組織不同；同一種材料熱處理狀態(tài)不同，其顯微組織也不同。圖11是筆者在失效分析過程中拍攝的幾種材料的顯微組織圖片。

金相顯微組織的顯示一般按標(biāo)準(zhǔn)方法進(jìn)行，侵蝕不可過輕，也不可過重。但在失效分析中，則要根據(jù)不同的需求和關(guān)注點(diǎn)選取侵蝕劑和侵蝕時間。比如一個由合金鋼和不銹鋼焊在一起的異種金屬焊接接頭，很難使用一種侵蝕劑同時顯示兩種材料的顯微組織，這時就要看重點(diǎn)關(guān)注哪一種材料，若關(guān)注合金鋼，則按合金鋼的要求侵蝕；反之，則按不銹鋼的要求侵蝕。若要判斷裂紋附近是否存在氧化、脫碳現(xiàn)象，一般選擇腐蝕較深一些，這樣反差會更強(qiáng)烈一些，是否存在氧化、脫碳現(xiàn)象便可以一目了然；若是要觀察不銹鋼的奧氏體晶界是否存在碳化物析出，不但要輕腐蝕，最好還要采用電解腐蝕，最理想的情況是碳化物剛好顯示清楚，但卻沒有發(fā)生脫落。

圖12 幾種失效模式的特征顯微組織形貌Fig.12 Characteristic microstructure morphology of several failure modes:(a) surface microstructure for adhesive wear; (b) decarbonization at the crack opening; (c) grinding affected layer

在失效分析中，通過金相分析可以間接地了解材料的類型和熱處理狀態(tài)，通過一些典型的顯微組織特征還可以判斷構(gòu)件的失效模式。在一起列車車輪異常磨損的失效分析中發(fā)現(xiàn)，車輪踏面設(shè)計要求進(jìn)行表面淬火處理，顯微組織應(yīng)為硬度較高的回火馬氏體，但實(shí)際檢測發(fā)現(xiàn)踏面表層顯微組織為珠光體+少量鐵素體，顯然未進(jìn)行表面淬火處理，從而導(dǎo)致車輪踏面硬度較低、耐磨性較差，使用一段時間后產(chǎn)生異常磨損。金屬之間因強(qiáng)力摩擦發(fā)生黏著磨損時表層材料會發(fā)生變形，不同材料之間還會發(fā)生“冷焊”，組織明顯細(xì)化，見圖12(a)，嚴(yán)重時還會出現(xiàn)馬氏體白亮層。材料中的碳只有在較高溫度和較長時間的情況下才會與環(huán)境中的氧起反應(yīng)，并以CO2的形式從材料中逸出，導(dǎo)致材料表層碳含量降低，形成脫碳層。在實(shí)際生產(chǎn)中，可通過熱處理硬化的鋼，其淬火溫度一般不超過900 ℃，不會產(chǎn)生明顯脫碳[3]；而鑄造和鍛造工藝經(jīng)歷的溫度較高，一般在1 200 ℃以上，在高溫環(huán)境中經(jīng)歷的時間也比較長，材料的表面會產(chǎn)生較為明顯的脫碳，組織呈白亮色[4]，見圖12(b)。分析裂紋起始部分是否存在氧化脫碳也是判定開裂失效原因的一種重要手段。材料熱處理后的機(jī)械加工，如磨削工藝不當(dāng)時，零件表面就會產(chǎn)生較多的磨削熱，形成磨削變質(zhì)層，嚴(yán)重時還會產(chǎn)生磨削裂紋[5]，見圖12(c)。

3.3 宏觀金相分析和微觀金相分析的結(jié)合使用

在失效分析中要采取宏觀金相分析和微觀金相分析相結(jié)合的方法，宏觀金相分析可以確定缺陷或失效點(diǎn)的位置，可以分析它們與失效之間的關(guān)系。如在對一船用柴油機(jī)曲軸連桿螺栓進(jìn)行斷裂失效分析時，對同批次螺栓進(jìn)行低倍檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，第一牙螺紋處存在微裂紋，微裂紋沿螺紋根部呈周向分布，垂直于表面向內(nèi)擴(kuò)展，如圖13(a)～(b)所示，而螺栓實(shí)際上為橫向斷裂，斷裂位置也和該微裂紋位置相吻合，為此有必要對該微裂紋缺陷進(jìn)行進(jìn)一步分析，并對同批次螺栓的服役情況作進(jìn)一步調(diào)查。高倍下觀察發(fā)現(xiàn),該微裂紋內(nèi)部充滿灰色氧化物，裂紋尾部的組織存在明顯的流線變形，裂紋側(cè)面未見明顯增、脫碳現(xiàn)象，如圖13(c)所示，可見該微裂紋缺陷是在螺栓擠壓螺紋過程中形成的。明確了分析方向后，就要在斷裂螺栓斷口源區(qū)尋找該缺陷留下的直接證據(jù)，找到了才能證明螺栓斷裂與該缺陷有關(guān)，那就要召回該批次的所有螺栓，或采取應(yīng)急措施，并建議對螺栓的加工工藝進(jìn)行改進(jìn)，以免再次產(chǎn)生該類缺陷。若沒有在斷裂源區(qū)找到該缺陷留下的證據(jù)，則還需要修正分析方向，繼續(xù)展開分析，直到找到導(dǎo)致螺栓斷裂的真正原因。

圖13 曲軸連桿螺栓宏觀及微觀組織形貌Fig.13 Macro and micro structure morphology of a crankshaft connecting rod bolt:(a) macro morphology; (b) stereo microscope morphology, 7.8×; (c) metallographic microscope morphology, 200×

3.4 利用各組成相的顏色差異進(jìn)行分析

光學(xué)顯微鏡一個重要的特點(diǎn)就是能反映被觀察對象的實(shí)際色彩，這一點(diǎn)在金相分析中具有非常重要的作用。如鋁合金中的 α-Si相呈灰色，Mg2Si相呈淺藍(lán)色，Al2Cu相呈橘紅色，AlFeMnSi相則呈黑色，再結(jié)合它們各自不同的形態(tài)就很容易判別出這些相。在鋼的顯微組織分析中，往往會在貝氏體基體，甚至在珠光體+鐵素體的基體中混有少量的馬氏體，這時往往是利用馬氏體區(qū)域呈淡黃色這一特征進(jìn)行區(qū)分的。通常情況下，碳化物呈亮白色，珠光體呈黑色，這些差異在準(zhǔn)確判斷鋼的顯微組織方面也起著重要作用。若材料的組織比較均勻、單一，在拋光態(tài)下的顏色是一致的，但若夾帶了其他材料組成，在顏色上也會產(chǎn)生較大差異。在實(shí)際失效分析中，曾經(jīng)發(fā)現(xiàn)鋅合金渦輪中摻雜了未溶的鑄鋁，在黃銅方體閥制品中發(fā)現(xiàn)了呈塊狀分布的紫銅，在鉛黃銅閥門中發(fā)現(xiàn)了聚集的塊狀游離鉛，在不銹鋼三通中發(fā)現(xiàn)了呈顆粒狀分布的游離鉻，它們都是材料冶煉不充分產(chǎn)生的缺陷，會破壞材料性能的連續(xù)性，且可形成應(yīng)力集中，直接導(dǎo)致產(chǎn)品的早期失效。一家公司生產(chǎn)的壓力容器封頭筒體母材為304不銹鋼，在超聲波檢測時發(fā)現(xiàn)環(huán)焊縫區(qū)域存在缺陷顯示。分析時從缺陷顯示部位垂直于鋼板表面取橫剖面試樣，磨拋后在金相顯微鏡下觀察可見存在紅色異物區(qū)域，同時存在從該區(qū)域產(chǎn)生的微裂紋，見圖14(a)；侵蝕后觀察可見，紅色區(qū)域和基體組織界限比較明顯，從紅色區(qū)域發(fā)出的微裂紋中也存在紅色異物，見圖14(b)。能譜(EDS)分析結(jié)果顯示，該紅色異物的主要元素成分為銅。經(jīng)調(diào)查，該企業(yè)在焊接過程中，為了防止封頭筒體損傷，在地板上鋪了較軟的紫銅板進(jìn)行防護(hù)。焊接過程中粗糙的焊縫在移動過程中刮下了部分紫銅并在二道焊接時裹入焊縫。銅的熔點(diǎn)為1 083 ℃，焊接時熔池金屬溫度為(1 770±100) ℃，近焊縫區(qū)溫度一般在1 350 ℃以上。若焊縫區(qū)域受到銅污染或夾裹了銅屑，焊接時銅會在高溫條件下產(chǎn)生滲透和擴(kuò)散，并在奧氏體晶界富集，使晶粒之間的結(jié)合力降低，隨后在焊接殘余應(yīng)力的作用下產(chǎn)生“銅脆”開裂失效。

圖14 封頭筒體焊縫缺陷顯微形貌Fig.14 Micro morphology of weld defect of a head cylinder: (a) polished state; (b) etched state

4 電子顯微技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用

光學(xué)金相顯微鏡一般只能觀察平面試樣，較高倍數(shù)觀察時，試樣面輕微的不平整都會影響成像質(zhì)量，試樣的邊緣或者偶然掉落在檢測面上的異物都無法在光學(xué)顯微鏡下觀察清楚，除非使用圖像采集功能。掃描電子顯微鏡(SEM)具有景深大、放大倍數(shù)高的特點(diǎn)，其觀察到的圖像往往具有一定的立體感，更加直觀，而且放大倍數(shù)可以到幾萬倍，甚至更高，在斷口分析技術(shù)中起著非常重要的作用。在金相分析中，只需解決因鑲嵌帶來的試樣被絕緣問題，就可以利用掃描電鏡直接觀察試樣邊緣的細(xì)微特征，如試樣表層的微裂紋或點(diǎn)腐蝕坑，還可以區(qū)分材料本身存在的夾雜物和落在檢驗(yàn)面上的異物，必要時還可以利用能譜儀進(jìn)行微區(qū)成分分析作為輔助判斷。但掃描電鏡是利用二次電子成像，以接受到反射電子能量的多少作為成像依據(jù)，一般得到的是黑白圖像，對于顯微組織的辨別不如光學(xué)顯微鏡方便。而光學(xué)顯微鏡價格相對較低，使用較為方便，可以觀察到分析對象不同的色彩，在顯微組織辨別方面無可替代，特別是在現(xiàn)場金相分析中具有電子顯微鏡無可比擬的作用和地位。認(rèn)識了光學(xué)金相顯微鏡和電子顯微鏡的優(yōu)、缺點(diǎn)后，在失效分析中應(yīng)充分利用各自的優(yōu)勢，將兩者結(jié)合起來使用往往會得到意想不到的效果。

4.1 疏松、氣孔、裂紋等材料缺陷分析

鑄造疏松、氣孔以及鑄件、粉末冶金構(gòu)件中的孔隙在光學(xué)顯微鏡下觀察往往表現(xiàn)為顏色相對較深的黑點(diǎn)或黑色區(qū)域，無法觀察到其細(xì)節(jié)特征，只能看到缺陷分布的區(qū)域；而在掃描電鏡下觀察，則可以看到其細(xì)微特征，從而進(jìn)一步判斷出缺陷性質(zhì)。如鑄造疏松的SEM形貌往往顯得比較粗糙，有時還可觀察到顆粒狀的最后結(jié)晶組織；氣孔類缺陷的底部則比較光滑，有時可以觀察到氣體收縮時留下的條紋狀痕跡；粉末冶金孔隙的SEM形貌觀察則可以看到細(xì)粉未徹底熔合而留下的微粉邊界等；微裂紋在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，往往就是一條黑線，但在掃描電鏡下觀察則可以看到裂紋內(nèi)部的情況。在利用電子顯微鏡進(jìn)行缺陷性質(zhì)判斷時，還可以利用儀器上配置的能譜儀對缺陷區(qū)域進(jìn)行微區(qū)成分分析，輔助判斷缺陷性質(zhì)。

地鐵列車上的車鉤鉤頭法蘭為重要的結(jié)構(gòu)受力件，設(shè)計為整體鑄件，不允許焊接和補(bǔ)焊。新品在投入使用前的磁粉探傷中發(fā)現(xiàn)法蘭接頭處存在磁粉聚集現(xiàn)象。為了分析磁粉聚集的原因，從磁粉聚集區(qū)域切取數(shù)個試樣進(jìn)行金相分析，結(jié)果發(fā)現(xiàn)試驗(yàn)面有焊接特征，且焊縫的底部以及基體中均存在缺陷，見圖15(a)，拋光態(tài)下缺陷的SEM形貌見圖15(b)，可見該缺陷為鑄造疏松。事后調(diào)查得知，鉤頭法蘭的生產(chǎn)廠家鑄造后發(fā)現(xiàn)了鑄造疏松缺陷，但舍不得報廢該零件，隨后采用機(jī)械方法將缺陷挖除，然后又采用焊接工藝焊補(bǔ)，但由于鑄造缺陷沒有徹底挖除，所以在無損檢測中被發(fā)現(xiàn)，在隨后的金相分析中也發(fā)現(xiàn)了補(bǔ)焊現(xiàn)象，這是一起嚴(yán)重的質(zhì)量責(zé)任事故。

4.2 晶界析出物分析

電子顯微鏡具有更高的放大倍數(shù)和景深，在金相分析中有時具有光學(xué)顯微鏡無法比擬的效果。早期高溫蠕變中三角晶界處的蠕變孔洞用金相顯微鏡觀察，很容易與原材料缺陷混淆，但在掃描電子顯微鏡下觀察，根據(jù)蠕變孔洞獨(dú)特的形貌特征就比較容易區(qū)分。如某304不銹鋼制品在服役過程中產(chǎn)生了沿晶腐蝕開裂，光學(xué)顯微鏡下放大1 000倍觀察，只可觀察到晶界變粗，疑似有碳化物析出，見圖16(a)；但在掃描電鏡下放大到25 000倍，則可以清晰地觀察到晶界上析出的碳化物形貌以及晶界的開裂情況，見圖16(b)。

圖16 晶界碳化物的光學(xué)顯微鏡和掃描電鏡形貌Fig.16 The (a) OM morphology and (b) SEM morphology of grain boundary carbides

4.3 微區(qū)成分分析輔助診斷

材料為TP304L不銹鋼的三通在熱處理酸洗后發(fā)現(xiàn)比較密集的細(xì)小裂紋狀缺陷，隨后對細(xì)裂紋進(jìn)行打磨處理，發(fā)現(xiàn)表面細(xì)裂紋越打磨越深。金相分析時從缺陷部位切取剖面試樣，試樣拋光態(tài)SEM形貌見圖17(a)～(b)，能譜分析結(jié)果顯示缺陷中異物的鉻含量(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，下同)高達(dá)50.26%，見圖17(c),大大超出TP304L不銹鋼鉻含量的技術(shù)要求(18.0%～20.0%)。由此判斷，該缺陷是鑄造時未充分溶解的原配比材料。

5 金相分析技術(shù)在失效分析中的應(yīng)用舉例

5.1 案例1: 分析材料質(zhì)量和缺陷

Q345R復(fù)合鋼板在探傷時發(fā)現(xiàn)內(nèi)部存在缺陷。分析時先從缺陷處截取剖面低倍試樣，經(jīng)磨床磨光后采用GB/T 226-2015中推薦的1∶1(體積比)鹽酸水溶液進(jìn)行熱酸腐蝕，經(jīng)目視觀察，可見形貌特征明顯不同的兩層鋼板，在下部較厚的鋼板中存在帶狀缺陷顯示，見圖18(a)。從缺陷處截取剖面金相試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋后在光學(xué)顯微鏡下進(jìn)行高倍觀察，可見明顯的疏松缺陷，缺陷周圍聚集著較多的非金屬夾雜物，見圖18(b)～(c)。再將金相試樣用掃描電鏡觀察，可見明顯的疏松缺陷和缺陷周圍的非金屬夾雜物，見圖18(d)。綜合分析后判斷，該Q345R復(fù)合鋼板在較厚的鋼板內(nèi)部存在的帶狀缺陷(探傷發(fā)現(xiàn)的缺陷)是由縮孔殘余造成的。

圖18 復(fù)合鋼板內(nèi)缺陷形貌Fig.18 Defect morphology in the clad steel plate:(a) macro structure morphology; (b) OM morphology of loose; (c) OM morphology of inclusions; (d) SEM morphology

5.2 案例2: 分析鑄造質(zhì)量和缺陷

某閥門在服役一段時間后發(fā)生爆裂泄漏，法院委托的試樣包裝及拆包后的試樣形貌見圖19(a)，可見導(dǎo)致閥門爆裂泄漏的部件為閥蓋，已經(jīng)斷開的閥蓋為本次鑒定的主要對象，從閥蓋斷口形貌特征判斷圖19(b)中的A區(qū)域?yàn)閿嗔哑鹗紖^(qū)域，除起始區(qū)域之外的B區(qū)域?yàn)閿嗔褦U(kuò)展區(qū)。

斷裂閥蓋B區(qū)域剖面低倍拋光態(tài)形貌見圖20(a)，可見游離鉛呈彌散狀分布；高倍顯微組織形貌見圖20(b)，為β+α+鉛相。A區(qū)域剖面低倍拋光態(tài)形貌見圖20(c)，可見與B區(qū)域存在明顯差異，在靠近內(nèi)孔區(qū)域存在較大的灰色塊狀相和密集分布的較小顆粒狀相，靠近螺紋區(qū)域則較少。將A區(qū)域剖面金相試樣用Quanta 400FEG掃描電鏡觀察，可見斷口和靠近斷口的內(nèi)壁均存在疏松缺陷，白色塊狀相成分為90%以上的鉛，見圖20(d)～(e)。

圖19 失效閥門和閥蓋斷口宏觀形貌Fig.19 Macro morphology of (a) the failure valve and (b) the valve cover fracture

經(jīng)檢測，斷裂閥蓋的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)如下：53.69Cu，39.91Zn，4.46Pb，0.51Fe，雜質(zhì)元素總和為1.43%。金相分析結(jié)果顯示，斷裂起源區(qū)的組織形貌和遠(yuǎn)離源區(qū)的組織形貌差異較大，斷裂源區(qū)存在聚集分布的較大塊狀鉛相和密集分布的較小顆粒狀鐵相，斷裂面上和靠近斷裂源區(qū)的閥蓋內(nèi)孔表面存在疏松，斷裂面上有連續(xù)分布的鉛相。鉛黃銅中若鉛含量超過3%，其強(qiáng)度、硬度及斷后伸長率會下降；另鉛分布對黃銅性能的影響也較大，聚集分布的較大塊狀鉛相造成局部強(qiáng)度和塑性降低。表面的疏松還會形成局部應(yīng)力集中；若閥門在水環(huán)境(弱電解質(zhì))中服役，由于游離鉛與Cu/Zn合金之間的電極電位不同，還會導(dǎo)致電化學(xué)腐蝕，促進(jìn)閥蓋斷裂。

5.3 案例3: 分析冷加工質(zhì)量和缺陷

活塞桿材料為38CrMoAlA鋼，首先經(jīng)過自由鍛，鍛件按照J(rèn)B/T 6908-2006《容積式壓縮機(jī)用鋼鍛件》中的Ⅱ類鍛件驗(yàn)收，調(diào)質(zhì)熱處理后于零件端頭取樣檢測，力學(xué)性能符合技術(shù)要求。該活塞桿在調(diào)質(zhì)熱處理后矯直過程中發(fā)生斷裂，斷裂位于活塞桿直徑變化處，技術(shù)要求該處過渡圓角半徑R為10 mm，見圖21(a)。分析時從斷裂部位過軸線切取低倍試樣進(jìn)行低倍檢驗(yàn)，可見鑄造枝晶比較明顯，斷裂部位未見隨形的鍛造流線，見圖21(b)。斷裂部位過渡圓角半徑經(jīng)測量為0.58/2=0.29 mm，遠(yuǎn)小于設(shè)計要求的10 mm，見圖21(c)。掃描電鏡下觀察，基體拋光態(tài)可見鑄造疏松缺陷，圖21(d)為其光學(xué)顯微鏡形貌，圖21(e)為其掃描電鏡形貌，可見后者更為直觀地反映了鑄造疏松缺陷的形貌特征。掃描電鏡下觀察還可見，活塞桿過渡圓角部位表面存在點(diǎn)腐蝕坑，見圖21(f)。

圖20 斷裂閥蓋不同區(qū)域的顯微形貌Fig.20 Micro morphology of different regions of the fractured valve cover:(a) polished state morphology of region B at low magnification (OM); (b) microstructure morphology of region B (OM); (c) polished state morphology of region A at low magnification (OM); (d) polished state morphology of region A at low magnification (SEM); (e) loose morphology of region A (SEM)

圖21 斷裂活塞桿及其缺陷形貌Fig.21 Morphology of the fractured piston rod and its defects:(a) macro morphology and design drawing of the fractured piston rod; (b) macro structure morphology at the fracture position; (c) measurement result of the transition fillet radius; (d) OM morphology of the casting loose; (e) SEM morphology of the casting loose; (f) corrosion pits morphology on the transition fillet surface

5.4 案例4: 分析焊接質(zhì)量和熱加工工藝

一臺400 t履帶吊車在會展中心工作結(jié)束后，參展方準(zhǔn)備將其拆除退場，然而臂桿在無起吊重物的情況下發(fā)生了斷裂。事故經(jīng)過如下：2012年6月11日下午13時左右，吊車參展方按操作規(guī)程將副臂緩緩放到副臂小車上，然后慢慢將主臂下降至25°左右的時候，吊車廠家一名技術(shù)人員到副臂頂端檢查電路，另一名技術(shù)人員在操作室查看數(shù)據(jù)，一直到下午17時左右吊車廠家技術(shù)人員檢查完畢，參展方打算將臂架完全放下進(jìn)行拆除，這時發(fā)現(xiàn)前方場地不夠平整，由于此時已接近下午下班時間，挖掘機(jī)不能來整理場地，就和廠家技術(shù)人員商議第二天進(jìn)行拆除。參展方吊車司機(jī)和廠家技術(shù)人員一同檢查吊車停車狀態(tài)并拍照后于下午18時左右一同離開現(xiàn)場。離開時吊車主臂角度在25°左右，副臂放在副臂小車上完全接觸地面，超起配重處于離開地面的狀態(tài)。6月12日凌晨4時左右參展方接到電話說吊車發(fā)生事故，5:30左右趕到現(xiàn)場，看到臂架已全部倒下，超起配重托盤被甩至吊車前方，超起配重甩到吊車前方和中部，其中一塊砸中駕駛室，將駕駛室砸壞。事故現(xiàn)場及肇事件斷口形貌見圖22，金相分析過程見圖23。

圖22 事故現(xiàn)場形貌及肇事件斷口形貌Fig.22 Accident scene morphology and fracture morphology of the failure parts:(a) accident scene morphology; (b) fracture morphology of the lug end; (c) fracture morphology of the pull rod end

圖23 斷裂部位的低倍和高倍組織形貌Fig.23 Macro and micro structure morphology at the fracture position

(1) 宏觀金相分析

分別從吊耳端以及拉桿端垂直于焊縫切取縱向試樣，加工后進(jìn)行熱酸腐蝕，可見斷裂位于焊接部位，剪切唇位于焊縫區(qū)，和軸線大致垂直的少部分?jǐn)嗫谖挥谀覆臒嵊绊憛^(qū)，為斷裂起始位置。

(2) 微觀金相分析

從斷裂源部位切取試樣，經(jīng)鑲嵌、磨拋和侵蝕后在光學(xué)金相顯微鏡下觀察，可見斷裂源區(qū)存在明顯的帶狀組織特征，瞬斷區(qū)顯微組織均勻，均位于焊縫區(qū)域，未見明顯異常，圖23中斷口處的顯微組織形貌采用了組合技術(shù)。進(jìn)一步放大后觀察可見，源區(qū)顯微組織為粒狀貝氏體+屈氏體+少量馬氏體；焊縫區(qū)顯微組織為鐵素體+粒狀、桿狀碳化物。

最終失效分析結(jié)果表明，該事故主要是由于操作不當(dāng)和焊接質(zhì)量不佳導(dǎo)致的氫致延遲脆性斷裂[6]。

5.5 案例5: 分析原材料質(zhì)量和熱加工工藝

φ1 397 mm的R20CrMnMoAH鋼坯經(jīng)加熱后在4 500 t油壓機(jī)上拔長開坯為550 mm×550 mm的方坯，鍛造溫度為(1 240±10) ℃。開坯后裝入保溫爐內(nèi)經(jīng)過48 h后發(fā)現(xiàn)方坯表面出現(xiàn)縱向裂紋。

該鋼坯開裂失效分析過程見圖24，詳細(xì)分析說明如下。

圖24 鋼坯開裂失效分析過程Fig.24 Failure analysis process of cracking of the billet

5.5.1 取樣

由于該鋼坯尺寸較大，不方便將整個鋼坯的裂紋面打開。分析時首先從鋼坯的端部將裂紋部分取出，肉眼觀察可見靠近表面處裂紋相對較寬，該區(qū)域用1號標(biāo)識，裂紋尾部相對較窄，用3號區(qū)域表示，2號區(qū)域位于兩者中間。分別從這3個區(qū)域切取裂紋試樣進(jìn)行斷口形貌觀察。

5.5.2 斷口形貌觀察

(1) 宏觀形貌觀察

采用超聲波清洗儀將3個斷口試樣充分清洗后用肉眼觀察，可見1號試樣除鋼坯表面小部分區(qū)域外，其他大部分區(qū)域呈新鮮的金屬色，2號試樣裂紋面基本上全部為新鮮的金屬色，3號試樣表面呈黃褐色或黑色，存在異物覆蓋。

(2) SEM微觀形貌觀察

1號斷口試樣表面小部分區(qū)域高倍SEM形貌存在明顯的高溫氧化特征；斷口大部分區(qū)域比較潔凈，其形貌為解理+少量韌窩。

距離直接影響到聲音的清晰度和直達(dá)聲與混響聲的比例，而角度關(guān)系到聲音的音色。在使用傳聲器語言拾音一般拾音距離為20～30cm，但錄制中還要根據(jù)室內(nèi)混響時間的長短進(jìn)行調(diào)整，必須控制好直達(dá)聲和混響聲的比例，混響時間長，可近一點(diǎn)；混響時間短，則稍遠(yuǎn)些。另外，拾音的距離與傳聲器的指向性也有關(guān)系，使用者根據(jù)傳聲器不同的指向性調(diào)整好拾音的距離。一般拾音的距離不宜過近（特殊需求除外）。對于現(xiàn)場節(jié)目主持人形式的拾音要注意掌握嘴部與傳聲器的距離和角度，不宜過近，避免出現(xiàn)“噴話筒”和“抽氣聲”。

2號斷口試樣高倍SEM形貌亦為解理+少量韌窩。

3號斷口試樣大部分區(qū)域SEM形貌存在明顯的氧化腐蝕特征；部分較小區(qū)域比較潔凈，呈解理+少量韌窩斷裂形貌?？梢?號斷口試樣既存在潔凈的解理特征，也存在致密的氧化銹蝕特征。

5.5.3 金相分析

(1) 1號試樣近表面處和開裂面處顯微組織中的鐵素體數(shù)量相對于2號試樣和3號試樣的要多，此為鍛造過程中產(chǎn)生的部分脫碳現(xiàn)象；2號和3號試樣近開裂面處未見明顯脫碳現(xiàn)象。

(2) 1號、2號、3號試樣拋光態(tài)下檢查，其非金屬夾雜物級別均不高。

(3) 1號、3號試樣拋光態(tài)下近開裂面處可見微小內(nèi)裂紋。

5.5.4 能譜分析

3號試樣靠近開裂面處存在微小縫隙，其內(nèi)有異物填充，經(jīng)能譜分析，縫隙中異物的主要元素成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%)為：81.37Fe，11.30O，4.19Pb。

5.5.5 綜合分析

該鋼坯在保溫爐內(nèi)經(jīng)過48 h后發(fā)現(xiàn)開裂，說明鋼錠開裂具有靜載荷作用下的延遲性特征，此為氫致開裂的典型特征。裂紋開口部位和靠近心部均存在新鮮的斷裂面，說明鋼坯是在較低溫度下開裂的，開裂前3號試樣位置和1號試樣位置并不相通，3號試樣位置不會接觸到外界的氧化性氣氛。3號試樣SEM形貌可見致密的氧化腐蝕產(chǎn)物，經(jīng)能譜分析主要為鐵的氧化物，說明它們在鋼坯開裂前就已經(jīng)存在。3號試樣剖面SEM形貌可見微小縫隙，其中充滿了灰色異物，其形態(tài)與非金屬夾雜物形態(tài)差異較大，其本質(zhì)是鋼坯中的疏松經(jīng)過鍛打后其形態(tài)由鑄態(tài)時的微小孔洞變?yōu)槲⑿〉目p隙，跟微裂紋形態(tài)相似，具有極高的應(yīng)力集中效應(yīng)。鋼坯在凝固過程中，高熔點(diǎn)部分先凝固，材料中的氣體和一些低熔點(diǎn)雜質(zhì)金屬(如鉛)會被后凝固的鋼液帶到心部，隨著溫度的降低其在鋼中的溶解度大幅度下降而析出，最后凝固時其中較多的氣體被先凝固金屬封閉而無法逸出，同時后凝固的心部因無充足液態(tài)金屬補(bǔ)充而形成疏松，從鋼中析出的氧化性氣體在較高溫度下與其附近的金屬發(fā)生反應(yīng)形成氧化腐蝕產(chǎn)物，并成為金屬中的氫陷阱。1號試樣和3號試樣近開裂面處微小的內(nèi)裂紋是氫致裂紋的又一個典型特征。1號、2號和3號試樣的顯微組織主要為珠光體+鐵素體，基本上未發(fā)生組織變化，鋼坯由鍛造溫度降低到室溫時主要表現(xiàn)為熱應(yīng)力型殘余內(nèi)應(yīng)力，具體為心部受拉應(yīng)力，表面受壓應(yīng)力。當(dāng)鋼坯心部微小縫隙處的氫含量或該處的應(yīng)力強(qiáng)度因子達(dá)到氫脆斷裂的門檻值后，便會發(fā)生氫致延遲性開裂。

5.5.6 結(jié)論

該鋼坯開裂性質(zhì)為氫致延遲性開裂。開裂的主要原因是鑄錠心部存在的疏松經(jīng)鍛打后形成和微裂紋形態(tài)相似的微小縫隙，充當(dāng)了裂紋源并形成高應(yīng)力集中區(qū)域，在鋼中氫和殘余內(nèi)應(yīng)力的共同作用下鋼坯發(fā)生了氫致延遲性開裂。

6 小結(jié)

金相分析是人們最早利用儀器設(shè)備來對材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和研究的一門技術(shù)，經(jīng)典金相學(xué)甚至比斷口學(xué)早了一個世紀(jì)，發(fā)展至今已有了其豐富的內(nèi)涵和外延。簡單一些的光學(xué)金相顯微鏡和制樣設(shè)施并不需要太多的資金，卻能讓人認(rèn)知材料的微觀結(jié)構(gòu)，解釋材料在性能方面的種種變化。當(dāng)失效件因裂紋太淺而無法打開進(jìn)行斷口分析(如磨削開裂、接觸疲勞失效、熱疲勞失效等)，或者斷裂面受到了嚴(yán)重污染，無法觀察斷口的細(xì)微特征(如應(yīng)力腐蝕、腐蝕疲勞、高溫蠕變失效等)時，金相分析技術(shù)就顯得尤為重要，也會展現(xiàn)出其獨(dú)特的一面。金相分析是目前應(yīng)用最為廣泛的材料分析技術(shù)之一，大多數(shù)企業(yè)都有自己的金相試驗(yàn)室，金相分析技術(shù)在分析原材料質(zhì)量、熱處理質(zhì)量、焊接質(zhì)量、材料缺陷、表面加工狀態(tài)(如加工刀痕、過渡圓角半徑等)等方面都具有非常獨(dú)特的作用和地位。

(未完待續(xù))

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Failure Analysis on Mechanical Equipments (Continued) Lecture 4 Metallographic Analysis Technique (Part II)

WANG Rong1,2

(1. Shanghai Research Institute of Materials, Shanghai 200437, China; 2. Shanghai Key Laboratory of Engineering Materials Application and Evaluation, Shanghai 200437, China)

2016-07-20

上海市金屬材料檢測分析與安全評估專業(yè)技術(shù)服務(wù)平臺資助項(xiàng)目(16DZ2290800)

王 榮(1967-)，男，教授級高工，主要從事機(jī)械裝備的失效分析與安全評估工作與研究，wangrong1967@126.com。

10.11973/lhjy-wl201704001

TG115.22; TB30

A

1001-4012(2017)04-0225-10

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