金属构件缺陷、失效分析与实例

随着科学技术和工业生产的迅速发展，人们对机械零部件的质量要求也越来越高。材料质量和零部件的精度虽得到很大的提高，但各行业中使用的机械零部件的早期失效仍时有发生。通过失效分析，找出失效原因，提出有效改进措施以防止类似失效事故的重复发生，从而保证工程的安全运行是必不可少的。
经长期失效分析，笔者深感缺陷分析是失效分析的重要基础之一。一般失效分析常以脆性断裂、疲劳断裂、塑性断裂、蠕变断裂和剥落、腐蚀、磨损等失效模式来描述失效形式，但不是失效的原因。造成结构失效的根本原因往往是材料或零部件制造过程遗留的各种缺陷或设计考虑不周、安装与使用不当、使用环境变化等因素引起应力集中、受力状态的改变及表面损伤导致零部件的变形与裂纹的形成或多种因素综合作用的结果。
本书是笔者在长期从事金相检测和失效分析、生产实践经验积累和收集相关资料的基础上编写而成。全书共分9章，第1章为失效和失效分析；第2章为设计不当引起的失效；第3章为材料缺陷与失效；第4～7章为铸造、锻造、焊接和热处理生产过程中形成的缺陷与由此引起的失效；第8章为冷加工成形缺陷与失效；第9章为安装、使用和维护不当引起的失效。各章分别介绍了材料和制造过程中常见的各种缺陷与设计、管理和使用不当导致零部件的早期失效。突出了各种缺陷的形成、特征及其危害和失效分析中的断口、组织形貌， 并附有各类缺陷引起的失效案例。
本书内容翔实，图文并茂，可供机械、冶金、航空、电力、汽车、轻工等企业和技术部门的金相检测、铸造、热处理、锻造、焊接、设计与失效分析等人员使用，也可供高等院校相关专业师生参考。
本书编写过程中得到了江苏省机械研究设计院等单位和王建怀高级工程师的帮助和支持，引用了一些单位和学者发表的科技资料和技术标准，在此一并表示衷心感谢。
由于水平有限，书中不足之处，敬请读者赐教和指正。

编著者

丁惠麟，于1953-1995年任职于金城集团，高级工程师，中国机械工程学会失效分析分会，失效分析专家。
曾任：
1.航空物理冶金检测人员资格鉴定委员会 副主任
2.航空装备失效分析冶金人员资格认证委员会 委员
3.江苏省机械工程学会理化分会 常务理事
4.南京市计量测试学会 副秘书长
5.南京市计量测试专家委员会 副主任
6.南京市计量测试学会金相技术学会 秘书长
7.江苏省劳动厅职业技能鉴定委员会 考评员
主要著作：
1.《金属材料金相图谱》
2.《金相检验技术》
3.《辅机零件失效与缺陷分析》
4.《新编工模具金相热处理》
5.《机械工程材料测试手册（物理金相卷）》
6.《金属材料金相图谱》
7.《实用铝、铜及其合金金相热处理和失效分析》
8.《热处理技师手册》
9.《机械零件缺陷、失效分析与实例》

金荣芳
1993-2020年金城集团研究员级高级工程师、技术专家，东南大学专业学位硕士研究生校外指导教师。长期从事金属材料理化（金相分析、力学性能测试）测试及失效分析工作。
现任：
1.江苏省金属材料及热处理学会 理事
2.江苏省材料测试学会 理事
3.南京机械工程学会理化及材料专业委员会 委员、
4.南京计量测试学会材料学会 理事
历来主要著作：
《机械零件缺陷、失效分析与实例》

本书通过大量实例，结合金属构件断裂实物和相应金相照片，详细介绍了金属构件由于设计不当、材料缺陷、工艺缺陷和使用不当造成的零件失效的缺陷分析和处理对策。
本书适宜从事机械和材料相关领域的科研和分析人员以及相关企业的质检人员参考。

第1章　失效和失效分析1
1.1 失效分析的目的及意义                  1
1.1.1 失效分析的目的                   1
1.1.2 失效分析的意义                   2
1.2 构件失效的主要形式及其分析               2
1.2.1 变形失效                      2
1.2.2 断裂失效                      3
1.2.3 腐蚀失效                      6
1.2.4 磨损失效                      9
1.2.5 失效模式表                     11
1.3 引起失效的主要原因                   12
1.3.1 设计不合理                     12
1.3.2 材料缺陷                      12
1.3.3 加工制造过程中产生的缺陷              12
1.3.4 操作与维护维修不当引起的失效            13
1.4 失效分析思路及方法                   13
1.5 失效分析程序和步骤                   13
1.5.1 一般分析程序                    13
1.5.2 断裂失效分析的基本步骤               19
1.6 裂纹分析                        20
1.6.1 裂纹及断口检查                   20
1.6.2 力学性能测试                    22
1.6.3 裂纹件的成分分析                  23
1.6.4 常见裂纹汇总                    23
1.6.5 断裂源的几种识别法                 26

第2章　设计不当引起的失效28
2.1 常见的设计不合理因素                  28
2.1.1 几何形状                      28
2.1.2 对零件制造应力认识不足,设计结构不合理       31
2.1.3 设计硬度要求不合理                 33
2.1.4 选材和状态要求不合理                37
2.2 设计不当引起的失效案例                 44
2.2.1 计量泵失效分析                   44
2.2.2 齿轮端面开裂失效分析                46
2.2.3 液压泵斜盘失效分析                 49
2.2.4 齿轮泵齿轮与轴咬合失效分析             52
2.2.5 齿轮泵主动齿轮轴折断分析              54
2.2.6 配油盘压印模冲头失效分析              58
2.2.7 传动轴断裂失效分析                 61
2.2.8 F3主减速箱大齿轮失效分析              65
2.2.9 提升机构制动器轴断裂分析              70

第3章　材料缺陷与失效73
3.1 常见的材料缺陷                     73
3.1.1 疏松                        73
3.1.2 锭形偏析                      74
3.1.3 点状偏析                      75
3.1.4 皮下气泡                      75
3.1.5 残余缩孔                      75
3.1.6 翻皮                        77
3.1.7 轴心晶间裂缝                    79
3.1.8 非金属夹杂物                    80
3.1.9 白点                        89
3.1.10 异金属夹杂                     91
3.1.11 成分不均匀和轴心碳偏析               91
3.1.12 表面腐蚀                      95
3.2 材料缺陷引起的失效案例                 96
3.2.1 双头螺柱断裂分析                  96
3.2.2 托轮轴断裂失效分析                 99
3.2.3 接骨板断裂失效分析                 103
3.2.4 六角锁紧螺栓断裂分析                107
3.2.5 连接螺栓失效分析                  111
3.2.6 A14传动轴淬火开裂分析               115
3.2.7 GIS气管连接螺母失效分析              119
3.2.8 大齿轮组装开裂原因分析               122
3.2.9 球磨机变速箱输出轴断裂分析             126
3.2.10 离合器膜片弹簧断裂分析               130
3.2.11 解吸塔再沸器上管板失效分析             133
3.2.12 二米辗压机锥辊轴断裂分析              138
3.2.13 摩托车齿轮失效分析                 143
3.2.14 前轮毂压铸模失效分析                145
3.2.15 材质对压铸模具失效和使用寿命的影响         148
3.2.16 M20螺栓断裂失效分析               158
3.2.17 高速齿轮销轴开裂失效分析              161
3.2.18 京唐大齿轮断裂失效分析               165

第4章　铸造缺陷与失效171
4.1 常见的铸造缺陷及其影响                 171
4.1.1 缩孔和缩松(疏松)                 171
4.1.2 白口和反白口                    174
4.1.3 球墨铸铁球化不良与衰退               175
4.1.4 夹渣(夹杂)                    176
4.1.5 石墨漂浮(开花状石墨)               180
4.1.6 偏析碳化物与磷共晶的影响              182
4.1.7 铁素体形态和数量                  183
4.1.8 铸造裂纹                      186
4.1.9 灰铸铁件中常见的不良石墨形态            186
4.2 铸造缺陷引起的失效案例                 188
4.2.1 航空液压泵斜盘断裂分析               188
4.2.2 柴油机汽缸套的咬合损伤失效分析           190
4.2.3 隔离开关拐臂断裂失效分析              193
4.2.4 柴油机曲轴断裂失效分析               196
4.2.5 转子与柱塞卡死问题的分析              199

第5章　锻造缺陷与失效分析204
5.1 锻造缺陷的常见形式                   204
5.1.1 过热和过烧                     204
5.1.2 锻造裂纹                      208
5.1.3 锻造折叠                      214
5.1.4 模锻件分模面裂纹                  217
5.1.5 热脆和铜脆                     218
5.1.6 低合金钢高温内氧化                 219
5.1.7 锻后退火不充分                   219
5.1.8 锻造白点                      220
5.1.9 锻造流线缺陷                    221
5.2 锻造缺陷案例                      221
5.2.1 大型输出轴齿轮开裂分析               221
5.2.2 航空液压泵斜盘断裂失效分析             225
5.2.3 内齿轮淬火断裂分析                 230

第6章　焊接缺陷与失效233
6.1 常见的焊接缺陷                     233
6.1.1 焊接裂纹                      234
6.1.2 焊缝中夹渣、气孔和缩孔               246
6.1.3 未焊透和未熔合                   249
6.1.4 咬边                        251
6.1.5 焊接预热不当形成的缺陷               251
6.1.6 钎焊缺陷                      255
6.1.7 接触焊常见缺陷                   257
6.1.8 摩擦焊的缺陷与失效                 261
6.2 奥氏体钢焊接件的晶间腐蚀破坏              263
6.2.1 晶间腐蚀                      263
6.2.2 刀状腐蚀                      264
6.2.3 应力腐蚀                      264
6.3 焊接缺陷引起的失效案例                 265
6.3.1 汽车转向器断裂失效分析               265
6.3.2 水环真空泵叶片断裂分析               267
6.3.3 开关铝筒失效分析                  272
6.3.4 闸阀焊接件断裂分析                 275
6.3.5 摆臂支撑板断裂分析                 278
6.3.6 供热管道开裂失效分析                281
6.3.7 污水泵叶片断裂分析                 284
6.3.8 汽车驱动桥壳带套管断裂分析             288
6.3.9 苏思龙电机焊接支架断裂分析             291

第7章　热处理缺陷与失效295
7.1 常见的热处理缺陷                    295
7.1.1 淬火裂纹                      295
7.1.2 回火裂纹                      313
7.1.3 机械加工的影响                   314
7.1.4 钢的表层脱碳                    314
7.1.5 校正裂纹                      315
7.1.6 感应淬火缺陷                    316
7.1.7 渗碳、碳氮共渗缺陷                 319
7.1.8 渗氮缺陷                      331
7.1.9 氮碳共渗(软氮化)缺陷               337
7.1.10 淬火裂纹与非淬火裂纹的鉴别             339
7.2 热处理缺陷引起的失效实例                340
7.2.1 摩托车100124-1骨架开裂分析             340
7.2.2 柱塞帽组装收口开裂                 341
7.2.3 绞盘车传动轴齿部断裂分析              342
7.2.4 电机主轴断裂失效分析                347
7.2.5 太阳轮失效分析                   350
7.2.6 风力发电机高速轴失效分析              353
7.2.7 真空泵驱动接头断裂分析               357
7.2.8 机油泵主动齿轮断齿原因分析             360
7.2.9 内齿圈齿面氮化层剥落分析              364
7.2.10 汽车半轴台架试验开裂失效分析            367
7.2.11 后桥半轴断裂失效分析                371
7.2.12 传动齿轮断裂失效分析                374

第8章　冷加工成形缺陷与失效379
8.1 常见的磨削缺陷                     379
8.1.1 磨削烧伤及其特征                  379
8.1.2 磨削裂纹                      381
8.1.3 磨削应力的形成                   384
8.1.4 影响磨削烧伤和磨削裂纹的因素            384
8.2 表面强化缺陷与失效                   394
8.3 切削加工缺陷与失效                   396
8.4 电火花线切割加工缺陷与失效               401
8.4.1 变质层组织特征与微裂纹               401
8.4.2 线切割变形与开裂                  402
8.5 冷镦缺陷与失效                     403
8.5.1 冷镦硬化                      404
8.5.2 冷镦折叠                      404
8.5.3 冷镦螺栓头部断裂                  405
8.5.4 十字槽和内六角螺钉掉头               405
8.6 滚丝不当产生的缺陷与失效                407
8.7 冲、挤和拉伸成形缺陷                  411
8.8 其它加工缺陷与失效                   413
8.8.1 剪切缺陷                      413
8.8.2 加工毛刺与失效                   416
8.8.3 电解加工的缺陷                   417
8.8.4 机械损伤与变形                   419
8.8.5 电镀氢脆断裂                    424
8.9 冷加工不当引起的失效                  426
8.9.1 FD齿轮失效分析                  426
8.9.2 齿轮轴齿面裂纹分析                 429
8.9.3 镀锌水管断裂分析                  432
8.9.4 ZD51-4和ZD41-4电机轴断裂分析           436
8.9.5 输入齿轮轴断裂失效分析               439
8.9.6 收缩盘外环断裂分析                 443
8.9.7 低温过热器管裂纹分析                448
8.9.8 绞盘车YTJ12提升机构失效分析            453
8.9.9 75kW齿轮变速箱中间轴断裂分析           458
8.9.10 汽车发动机曲轴断裂失效分析             461
8.9.11 双头螺栓断裂分析                  465
8.9.12 低速级齿轮断裂分析                 468
8.9.13 电力设备中的中温再热器冷却管爆管分析        471
8.9.14 拔叉锻模断裂失效分析                474
8.9.15 滚丝轮崩齿问题分析                 477
8.9.16 显像管包箍断裂失效分析               480
8.9.17 同轴泵齿轮轴断裂分析                485
8.9.18 汽车变速箱三挡主动齿轮断齿分析           488
8.9.19 前桥横置板簧断裂分析                492

第9章　安装、使用和维护不当引起的失效496
9.1 安装不当                        496
9.1.1 安装紧度控制不妥                  496
9.1.2 安装清洁度的影响                  499
9.1.3 安装零件的混错                   501
9.1.4 安装中心距偏差与受力不均              502
9.1.5 安装零件表面损伤                  505
9.2 使用不当                        508
9.2.1 过载断裂                      508
9.2.2 操作不当                      510
9.3 使用、维修和保养                    513
9.4 环境介质影响                      516
9.4.1 温度的影响                     516
9.4.2 气氛与介质                     518
9.4.3 管道的爆裂与应力腐蚀                522
9.5 管理不当                        534
9.6 安装、使用和维护不当引起的失效案例           536
9.6.1 一段预热管渗漏事故分析               536
9.6.2 变速箱齿轮失效分析                 539
9.6.3 汽车发动机曲轴断裂分析               543
9.6.4 主动锥齿轮崩齿失效分析               545
9.6.5 齿轮轴齿磨损分析                  548
9.6.6 汽轮机第十二级动叶片开裂分析            551
9.6.7 涡轮盘裂纹分析                   554
9.6.8 凝结水泵筒体连接螺栓断裂失效分析          558
9.6.9 变速箱齿轮轴断裂分析                562
9.6.10 齿轮箱输出轴开裂失效分析              564
9.6.11 变速箱齿轮失效分析                 568
9.6.12 输入锥齿轮轴断齿失效分析              571
9.6.13 汽车后桥壳带半轴套管开裂失效分析          575
9.6.14 冷油器铜管开裂失效分析               579

参考文献584