如何快速、准确地查找失效原因，并提出切实可行的改进措施及建议，进而完善装备，确保和提高装备的质量和可靠性，从而达到预测和预防机械装备失效的目的，是失效分析工作者的不懈追求。

今天给大家分享 《失效分析150》这本书中的两个典型的案例

案例一：端联器螺栓脆性断裂失效

零件名称：端联器螺栓

零件材料：中碳铬钼钢

失效背景：在20余台重载履带车辆共6000多个端联器螺栓中有3个螺栓断裂，失效率 为0.044%。失效螺栓均是在使用初期断裂，见图1-1，螺栓断面形貌见图1-2。图1-1的失效螺栓是一条新履带装车行驶1km后停车维护时，出现突然断裂。螺栓头部一段从端联器中间的光孔中掉落，有螺纹的另一段残留在端联器上的螺纹孔中。螺栓的服役条件在静止时受预紧静拉力，运动时受预紧静拉力加交变切向力。

图1-1断裂螺栓图1-2断裂螺栓的正面断口形貌

失效部位：螺栓断裂部位位于垂直于轴向的螺纹中部。

失效特征：从图1-2螺栓断裂面看出，断口呈起伏状，无塑性变形，个别区域有面积大小不等的小平面，整个断面上无冶金缺陷。断裂源只有一个，起始于断面外侧的螺纹根部应力集中处，断裂源宽约1mm，在半径2mm内的区域内较平坦，断裂源两侧10mm外的其余断面外圆处有1mm左右的拉边，断面主要由沿晶、冰糖状、大量的晶间微裂纹组成，整个断裂面上各个小平面之间没有显著的分界线，也没有疲劳断裂中的贝纹线，呈现出典型的无塑性脆性断裂形态。

综合分析：理化检测的化学成分、非金属夹杂物、晶粒度及热处理质量的结果表明，原材料、螺栓制造质量均满足技术要求。螺栓的基体金相组织见图1-3，微观扫描断口形貌见图1-4 。

图1-3断裂螺栓的金相组织200x

图1-4断裂螺栓的扫描断口形貌

查找生产作业，发现当初螺栓拧紧装配时，实际拧紧力矩远大于设计规定的力矩。为对比分析，取9枚螺栓实物（8枚已使用无问题的螺栓，1枚未使用螺栓），进行强断拉伸试验。螺栓拉伸试验断口的断裂源也同样位于一侧螺纹根部应力集中处，属于线断裂源，断口形貌平齐，见图1-5。断口微观形貌见图1-6。两种断口形貌对比见表1-1。

图1-5合格螺栓断口形貌（一）

图1-6合格螺栓断口形貌（二）

表1-1两种断口形貌对比

断口	失效件断口	无问题实物断口
断口典型 形貌	断裂源附近的断面主要为沿晶断裂，呈冰糖 状，无明显塑性变形，还有少量韧窝。各晶粒之 间分布有许多二次裂纹，属脆性断裂	断口的断裂源区及扩展区均由穿晶断裂的浅韧窝组 成，无二次晶间裂纹，是高强度材料正常韧性断裂的断 口形貌
相同点	正断，一次性断裂，只有一个断裂源	正断，一次性断裂，只有一个断裂源
不同点	晶界有腐蚀，沿晶断裂、少量韧窝，在断口上有 二次裂纹，属于应力腐蚀脆性断裂 断裂源：点断裂源（1mm）,起裂临界应力小，剪 切拉边小，拉边只占断口总面积的8%,韧性低	无晶界腐蚀，穿晶断裂、浅韧窝组成，无二次晶间裂 纹，属于韧性断裂 断裂源：线断裂源（7~llmm）,起裂临界应力大。剪 切拉边大，拉边占到断口总面积的25%〜40%,韧性高

从表1-1中可看出：失效件断口显示螺栓在腐蚀环境下产生了应力腐蚀，降低螺栓的综合性能。

失效原因：装配拧紧力矩大于设计力矩的端联器螺栓在腐蚀环境下产生应力腐蚀后导致螺栓脆性断裂失效。

改进措施：

1） 加强装配规范，确保履带连接螺栓预紧力在装配规范要求范围内（为增加可靠性，螺栓拧紧力矩上限值比原设计减少了 20%，安全系数由原来的1.2倍提升到1.6倍）。

2） 调整热处理工艺，螺栓强度由14. 9级降低到13. 9级，在强度指标得到保证的前提下，增加了螺栓的韧性，降低履带连接螺栓产生应力腐蚀的敏感性。

3） 在履带连接螺栓表面增加了保护层，降低环境对螺栓断裂的应力腐蚀影响程度。

案例二：汽车发动机曲轴表面磨削裂纹

零件名称：曲轴

零件材料：中碳合金钢

失效背景：某汽车车辆发动机曲轴的主要制造工艺为毛坯锻造、正火、调质处理、机械加工、轴颈圆角及主轴颈表面高频感应淬火和精磨。进行精磨工序时，在与曲轴轴颈垂直的磨削平面上发现细小裂纹。

失效部位：磨削平面。

失效特征：磁粉检测后裂纹的宏观形貌见图2-1。裂纹大致相互平行，垂直于磨削方向，排列规则，呈细小、聚集、断续串接特征。轴颈圆角及主轴颈高频感应淬火层深度为3〜6mm，与轴颈垂直的磨削平面高频感应淬火层最深为8mm，见图2-2，均超过产品技术要求。

图2-1磁粉检测后裂纹的宏观形貌

图2-2组织分布及宏观偏析

经显微组织观察，裂纹为等深裂纹，深度约为0.20mm，中间宽两头细；裂纹起源于次表层即拉应力最大处，沿带状组织扩展，见图2-3；有些与基体中的非金属夹杂物连通，裂纹两侧及尾部无氧化脱碳现象；零件带状偏析严重，带状组织参照GB/T 13299-1991评为4级，见图2-4。

图2-3裂纹沿带状组织分布50x

图2-4基体带状组织偏析500x

综合分析：由于感应淬火层深过深，在锻件分模面处表面形成较大的残余拉应力。磨削产生的磨削热使零件表面的偏析带产生组织变化和硬度变化，同时也改变了残余应力状态。当产生的残余拉应力超过自身的抗拉强度时，在零件次表层即拉应力最大处萌生裂纹源，导致磨削裂纹。

失效原因：原材料带状组织缺陷和磨削工艺不当产生磨削裂纹。

改进措施：严格控制原材料质量，保证基体带状组织正常，改善零件磨削性能；通过加大磨削冷却液容量和减少磨削进给量，降低磨削温度，避免相变发生；在磨削前增加低温回火工序，减少残留奥氏体量，同时大大降低残余应力。

《失效分析150例》

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本书从零件材料、失效背景、失效部位、失效特征、综合分析、失效原因、改进措施等方面对150多个失效分析案例进行了简练、准确的描述，并配以具有代表性的宏观形貌和微观形貌图片。

介绍共10类150个典型实用的失效案例分析

■设计因素引起的失效13例

■材质因素引起的失效20例

■铸造缺陷因素引起的失效10例

■塑性成形缺陷因素引起的失效32例

■热处理缺陷因素引起的失效26例

■焊接缺陷因素引起的失效11例

■表面处理缺陷因素引起的失效6例

■环境因素引起的失效5例

■使用不当因素引起的失效13例

■其他因素引起的失效17例

目录

第1章设计因素引起的失效13例1

例11设计不合理导致扭杆疲劳断裂1

例12火炮击针的早期疲劳断裂3

例13设计选材不当引起的尾翼片裂纹4

例14设计强度低导致螺栓弯曲疲劳断裂6

例15设计不合理导致右横拉杆接头多源多次弯曲疲劳断裂7

例16应力集中导致曲臂疲劳开裂8

例17设计不合理导致平衡肘轴高周低应力疲劳断裂10

例18设计不合理导致液压泵连接套低周高应力疲劳断裂11

例19压药冲子的低周疲劳断裂12

例110壳体设计不当引起的淬火裂纹14

例111导杆支耳根部断裂16

例112带环形底圆筒因设计不当产生内壁旋压裂纹17

例113设计不当导致轮辋卡槽处应力腐蚀开裂17

第2章材质因素引起的失效20例19

例21碳化物偏析导致冲头疲劳脆性断裂19

例22多用途弹弹体原材料冶金缺陷引起的锻造裂纹20

例23原材料冶金缺陷导致扭杆脆性过载断裂21

例24材料皮裂导致堵盖坯料改锻后出现中心裂纹23

例25铝合金管形件材料缺陷裂纹24

例26原材料缺陷及加工缺陷等引起的尾翼片淬火裂纹25

例27材料中硫含量超标导致无缝管热脆开裂26

例28集中状分布的疏松缺陷导致框架轴疲劳断裂27

例29非金属夹渣引起的火车轴表面锻轧裂纹29

例210非金属夹杂物较多引起的支耳座发纹缺陷29

例211钼喷管材料缺陷导致装配破裂31

例212“白点”导致法兰性能不合格32

例213粗晶环缺陷引起的药管表面旋压缺陷33

例214超硬铝合金尾翼座由原材料缩尾残余引起的锻造裂纹34

例215超硬铝合金底螺原材料冶金缺陷引起的淬火裂纹35

例216铝合金壳体由原材料缩尾残余引起的挤压裂纹37

例217超硬铝合金尾翼座原材料冶金缺陷导致力学性能不合格39

例218铝合金接头原材料缺陷开裂40

例219氢氧含量高导致双套管脆性断裂42

例220铝合金底盖材料强度不足导致水压爆破试验异常43

第3章铸造缺陷因素引起的失效10例45

例31磷共晶、碳化物偏析导致高锰钢履带板板体脆性过载断裂45

例32铸造气孔缺陷导致高锰钢履带板板体失效46

例33拨叉铸造裂纹48

例34铸造冷隔导致开裂49

例35石墨漂浮导致铸件脆性过载断裂51

例36开关柱塞铸造热裂导致脆性断裂52

例37铸造缺陷导致矿用液压支架连接头断裂54

例38铅含量高导致耐磨环脆性开裂55

例39铸造缺陷引起的锻造折叠导致曲轴产生裂纹56

例310缩松缺陷导致炉内辊断裂失效58

第4章塑性成形缺陷因素引起的失效32例60

例41筒形旋压件壳体内壁环状旋压开裂60

例42压力容器壳体旋压裂纹导致水压试验喷射水雾60

例43弹体毛坯黑皮车除不净引起的淬火裂纹62

例44弹体毛坯折叠引起的锻造裂纹62

例45多用途弹体锻造不当引起的锻造裂纹64

例46弹体锻造不当引起的表面凹坑65

例47弹体锻造过烧引起的力学性能不合格66

例48弹体锻造过烧引起的蜂窝状孔洞67

例49压力座锻造折叠开裂68

例410氧化皮引起的锻造折叠导致曲轴产生裂纹70

例411锻造过热导致曲轴脆性弯曲过载断裂71

例412行星齿轮锻造裂纹72

例413扭转臂锻造过热开裂74

例414汽车无级变速器从动带轮疲劳断裂75

例415齿轮锻造过烧开裂77

例416齿轮锻造折叠开裂79

例417连接齿轮疲劳崩块80

例418锻模锻造过热开裂81

例419车轴的脆性过载断裂82

例420锻锤尺寸不合适导致车轴锻造折叠84

例421矿用摇臂轴热加工不当导致脆性过载断裂85

例422中心管冷拔不当引起的表面冷拔裂纹85

例423弹簧钢箍带头部冲压裂纹86

例424冲压不当导致碟簧脆性过载断裂87

例425马氏体时效钢筒形件含硫气氛加热导致锻裂88

例426钛合金管形件原材料锻造裂纹89

例427铝合金尾翼挤压工艺不当引起的表面麻面91

例428硬铝合金支撑盘冲压不及时导致材料硬化冲压开裂92

例429锻造不当引起的壳体内表面淬火裂纹93

例430超硬铝合金尾翼座锻造不当引起的锻造裂纹94

例431粗晶引起的超硬铝合金板淬火裂纹96

例432挤压不当引起的铝合金筒形件过烧裂纹97

第5章热处理缺陷因素引起的失效26例100

例51热处理质量不合格导致齿圈磨损失效100

例52表面增碳缺陷导致纵推力杆杆体弯曲过载断裂100

例53组织应力引起的球头销弧形淬火裂纹102

例54汽车发动机曲轴表面磨削裂纹103

例55局部过热导致模锻件开裂104

例56轮轴淬火不当引起的淬火裂纹106

例57热处理表面增碳导致诱导齿开裂107

例58热处理不当导致履带板疲劳开裂108

例59热应力引起的球头纵向淬火裂纹110

例510后桥主动曲线齿锥齿轮热处理不当引起的淬火裂纹111

例511内球笼毛坯热处理不当及表面质量缺陷引起的淬火裂纹112

例512表面渗碳导致十字轴冲击过载断裂113

例513表面氧化导致右外支座弯曲疲劳断裂115

例514组织不合格导致主动锥齿轮弯曲疲劳断裂及齿面接触疲劳破坏117

例515渗碳表面内氧化缺陷导致球头销失效118

例516非调质组织及过热导致缸体脆性过载断裂119

例517热处理工艺不当导致钻杆接头纵裂120

例518表面粗晶导致制动缸旋压开裂121

例519粗晶导致缸体拉深开裂122

例520表面脱碳缺陷导致扭杆弹簧扭转疲劳断裂123

例521弹簧吊具氢致脆性断裂124

例522过烧导致凸轮轴推力轴承盖脆性开裂125

例523超硬铝合金尾杆热处理不当引起的淬火裂纹126

例524渗氮工艺缺陷引起减速器输出轴断裂127

例525未严格执行热处理工艺导致四五档同步器体弯曲疲劳断裂129

例526汽车齿轮轮齿组织缺陷导致接触疲劳断裂130

第6章焊接缺陷因素引起的失效11例132

例61壳体的铁中“泛铜”132

例62焊接及热处理裂纹导致筒形件壳体水压试验异常破裂133

例63未焊透焊接缺陷引起的扭杆下支架焊缝裂纹134

例64焊接缺陷导致筒形高压容器水爆试验横向破裂136

例65弹簧销焊接疲劳断裂137

例66负重轮轮毂焊接开裂139

例67主动轮焊接疲劳断裂140

例68某型多用途炮弹铜弹带中“泛铁”142

例69焊接裂纹引起液压缸炸裂143

例610未焊透焊接缺陷引起的胶管总成焊缝裂纹145

例611未焊合焊接缺陷导致发动机支架疲劳断裂146

第7章表面处理缺陷因素引起的失效6例148

例71抽油杆腐蚀疲劳断裂148

例72表面过酸洗导致油嘴回油管断裂150

例73喷丸不当导致高强度螺旋弹簧扭转疲劳断裂152

例74风帽阳极硬质氧化不当引起的表面处理色差缺陷153

例75垫圈氢致脆性断裂154

例76平列双扭弹簧材料缺陷导致断裂156

第8章环境因素引起的失效5例158

例81应力腐蚀裂纹导致水泵轴扭转过载断裂158

例82平衡肘支架应力腐蚀裂纹160

例83球面轴承应力断裂161

例84卡箍带表面损伤断裂163

例85应力腐蚀导致圆柱螺旋拉伸弹簧的半圆轴环断裂164

第9章使用不当因素引起的失效13例166

例91筒形焊接件壳体因使用不当导致过载爆炸破坏166

例92受力不均匀导致螺栓变形和断裂167

例93载重汽车车桥的多源疲劳断裂169

例94复杂交变应力导致履带销疲劳断裂170

例95石油钻杆管体高应力弯曲过载断裂171

例96错误使用阀门型号导致截止阀开裂172

例97齿轮韧性扭转过载断裂173

例98错位导致主动锥齿轮弯曲疲劳断裂和从动锥齿轮齿面接触疲劳破坏175

例99汽车轴齿的轮齿断裂176

例910行星轮表面损伤崩块失效178

例911中间轴异常受力疲劳断裂179

例912浓缩氯离子导致不锈钢反应桶腐蚀渗漏180

例913铰链铸造热裂纹的过载外应力断裂181

第10章其他因素引起的失效17例183

例101端联器螺栓脆性断裂失效183

例102加工方向错误、组织偏析导致减振器座淬火开裂185

例103表面损伤导致曲轴疲劳断裂186

例104大粉末冶金片总成高应力低周疲劳断裂188

例105顶盖本体纵向裂纹189

例106螺栓装配不当断裂190

例107内圆装配不同心导致从动带轮轴疲劳开裂191

例108原始裂纹导致加强板断裂193

例109压药模的过载断裂194

例1010主机架余料螺纹机械挤压磨损195

例1011表面粗糙导致弯拉杆疲劳断裂196

例1012磨削不当导致高强度弹簧脆性过载断裂197

例1013异物压附工件表面导致磷化层出现白斑198

例1014剪切销异常剪断199

例1015表面缺陷导致吊环拉伸脆性过载断裂200

例1016传动轴加工刀痕导致疲劳断裂202

例1017采煤机输出机构内齿圈断裂203

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