失效分析 | 机械零部件缺陷与鉴别技术详解（4月27日）

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作者优秀: 优秀教师/意见领袖/博士学历/特邀专家/独家讲师
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导读：2021年2月，日本汽车零部件巨头曝大规模造假，约有11.4万件产品存在伪造刹车装置及其零部件的检查数据，引发网友热议和消费者信任危机。为帮助汽车零部件生产、质控与研究人员及时发现零部件缺陷，避免不合格产品流向市场，本文我将带领大家认识汽车零部件缺陷类型及危害，以及常用缺陷鉴别技术。如有不当，欢迎批评指正。点击下图可参加直播！

汽车由数以万计零部件组装而成，零部件是汽车发展的基础和重要组成部分，其性能优劣直接影响整车性能的优劣。核心零部件一旦出现质量问题，会给驾乘人员带来极大的安全隐患，因此汽车零部件检测对整车安全性起着至关重要的作用。首先让我们来认识一下汽车零部件缺陷的类型。

一、汽车零部件缺陷类型

汽车零部件从设计图样到制品，要经历一系列工艺流程，详见下图中7个节点。该流程中存在众多复杂因素，极有可能形成某种缺陷，若这些缺陷未被检测发现，或检测手段落后而发现不了，抑或技术标准不合理等，使得原本不应该流入市场的不合格品成为商品，从而成为在后续装配服役过程中失效的潜在因素。

图1 汽车零部件工艺流程

汽车零部件常见缺陷可以分为：设计缺陷、材料缺陷、制造工艺缺陷。如近日央视315晚会曝光的某品牌汽车，则是由设计缺陷导致变速箱腐蚀失效。

图2 某品牌汽车变速箱腐蚀形貌

以轴承和螺栓为例，其工艺流程如图3所示，复杂的工艺流程导致制造工艺缺陷呈现多样性，图4为不同制造工艺所对应的不同缺陷类型。产品出现质量问题，通过检测技术对缺陷类型进行表征，分析缺陷具体形成环节，往往是解决问题的基础。

图3 汽车零部件工艺流程复杂导致缺陷的多样性

图4 制造工艺及对应缺陷

下面以螺栓失效为例，选取原材料、设计、热处理、机械加工和装配工艺不同因素导致失效的案例，对缺陷检测技术应用进行阐述。

表1 螺栓失效案例

案例1：原材料缺陷（节点连接螺栓表面缺陷分析）

案例2：设计不当（手动调整销延迟性断裂原因分析）

案例3：热处理缺陷（柴油机缸盖螺栓氢脆断裂）

案例4：机加工缺陷——M16螺栓疲劳断裂原因分析

案例5：装配工艺不当——某地铁齿轮箱吊杆螺栓断裂

汽车零部件缺陷的危害

汽车零部件缺陷危害极大，往往会影响零件使用可靠性，降低零件的力学性能，造成应力集中，促进氢脆与应力腐蚀等。缺陷与失效分析的关系（从废品、不合格品、商品三个角度）如下：

1. 产品出厂前制造工艺过程中的废品分析，是由缺陷直接引起的失效；
2. 因质量管控手段不足，使得原本不应流入市场的不合格品进入市场，并且其所含制造缺陷导致产品失效，是由缺陷直接或间接引起的失效；
3. 产品设计、装配工艺或维护工艺不当导致的失效，则与缺陷无关。

以上是我围绕汽车零部件的常见缺陷以及缺陷的危害进行阐述，以期为汽车零部件生产、质控与研究人员提供分析思路。接下来，我将详细阐述汽车零部件的常用缺陷鉴别技术。

二、汽车零部件常用缺陷鉴别技术

1、金相检测技术

金相分析技术是失效分析中最重要的方法，主要分为以下几个方面：
低倍组织缺陷评定
锻造流线检测
分析样件
显微组织是否符合标准/预期要求
评定非金属夹杂物级别
测定晶粒度
脱碳层检测
渗碳层检测
判断裂纹类型（淬火裂纹？锻造裂纹？）
确定裂纹扩展方式（穿晶？沿晶？）
.......

案例1：金相检测实例——低温冲击功不合格原因分析以下钢板的3个试样中，一个试样低温冲击功不合格，而其他两个试样合格。检测人员通过观察其冲击试样金相组织，发现钢板在板厚发现存在严重的珠光体条带现象，这是造成低温冲击性能不达标和冲击性能值波动较大的主要原因。

2、无损检测——（重点介绍X射线无损检测技术）

无损检测采用传统的射线照相检测（RT)、射线数字成像检测（DR)及机算机断层扫描技术（CT)技术，在对被检测物体无损伤的条件下，以平面叠加投影或二维断层图像的形式，清晰、准确、直观地展示被检测物体的内部结构、组成、材质及缺损状况。射线检测技术在缺陷表征中的应用主要有以下5个方面：

（1）缺陷的识别

（2）缺陷尺寸测量

（3）三维重建及缺陷提取（可以对材料内部缺陷三维重构，表征缺陷形状和分布）

（4）不拆解情况下内部结构分析

（5）不拆解情况下装配分析

3、化学成分分析

材料化学成分分析主要用于排查设计选材是否不当，存在以次充优或以假乱真。

4、力学性能

为什么要做力学性能测试？

根据失效分析的目的、要求及可能性，对硬度、室温拉伸、冲击、弯曲、压扁、疲劳及高温下的力学性能等进行测定（不破坏主要失效特征）；
评定失效件的工艺与材质是否符合要求；
获得材料抵抗变形或断裂的临界值。

力学性能不合格的常见原因：

热处理工艺不当；
取样位置或取样方式不当；
材料偏析严重。

5、断口分析技术（断口分析三板斧）

通过断口的形态分析，可以研究断裂的一些基本问题：如断裂起因、断裂性质、断裂方式、断裂机制、断裂韧性、断裂过程的应力状态以及裂纹扩展速率等。因此，断口分析现已成为对金属构件进行失效分析的重要手段。

断口记录了从裂纹萌生、扩展直到断裂的全过程，是全信息的。断口可以说是断裂故障的“第一裂纹”，而其他裂纹可能是第二甚至第三生成的。第一与第二裂纹的模式、原因和机理有时是相同的，有时是不同的，也就是说裂纹有可能只记录了断裂后期的信息，因此断口分析在断裂事故分析中具有核心的地位和作用。

断口有时是断裂失效（事故）唯一的“物证”，人证有时是不可靠的，只能作为辅助信息或证据。

利用现代分析技术和方法，断口包含的信息是可以“破译＂的，析断口可以获取失效的信息。

如何进行断口分析？

第一板斧：按图索骥

提供典型断口宏观照片，学习断口形貌特征，可以独立判断断口类型。

第二板斧：顺藤摸瓜

寻找到断裂的源头是整个分析的重中之重，否则后期的分析将成为无本之本。

第三板斧：一叶知秋

从一片树叶的掉落，可以预知秋天的到来。断口的微观和宏观信息也同样存在一定联系，通过断口微观特征观察也可以进一步验证宏观检查的判断结果。

综上，断口分析技术可以归纳为以下三点：

按图索骥，预判断口类型；
顺藤摸瓜，寻找断裂源头；
一叶知秋，微观佐证宏观

三、我的螺栓失效公开课

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