1.2　缺陷分析的步驟與方法

零件在熱處理過程中，影響其熱處理質量的因素眾多，因此會出現這樣或那樣的熱處理缺陷。美國哈佛大學的德魯斯教授（U. R. Andrews）指出“無論多小的意外事故，都是組織管理上的失誤”。由此可見管理的重要程度，因此在實際的熱處理工程中，要認真分析和處理可能出現的缺陷，采取措施杜絕類似事件的發生。

零件的缺陷分析是一項系統工程，是綜合性的管理工程技術和多種現代科學技術的匯總。它具有三個特性：集合性、關聯性和目的性。一般缺陷分析采取故障樹分析法（FTA）和失效模式及后果分析法（FMEA與FMECA）。其中故障樹分析法應明確三個目的：查明與缺陷發生有關的可能的原因、把分析對象的過程或結果形象地表示出來以及方便計算出缺陷的概率。而FMEA則具有以下特點：利用表格形式分析缺陷；從低層向高層分析，對潛在的缺陷按要求影響程度確定等級，提高改善的措施；全面分析缺陷的產生。因此應用上述分析方法，對出現的熱處理質量問題進行分析，就能正確判斷和得出結論，用于指導熱處理工作者進行產品熱處理缺陷的分析，從而避免質量問題的再次發生。

（1）分析的思路和程序　對零件在熱處理過程中出現的缺陷，要深入生產現場，親眼看到實物，把聽到和看到的作綜合考慮，查明原因，確定對策，排除故障和影響因素，解決出現的質量問題。日本的大和重久提出了“GOLT”精神，即Go（去現場）、Observe（認真觀察）、Listen（聽取情況）、Think（分析和思考），實踐證明該程序是指導一切熱處理工作的思路，避免走彎路，同時有助于確定缺陷的產生的根源。

分析缺陷應注意以下幾個方面：分析缺陷產生的原因；分析的對象；入手的部位；承擔的任務；完成的時間；如何去做；分析的水平等。即“5W2H”原則。進行現場缺陷分析時還應使用合理的工具，便于及時記錄和找出第一手的資料，下面為幾種常用的工具：相機，內徑千分尺，外徑千分尺，放大鏡（10倍左右），導線，鑷子，磁鐵，軟毛刷，畫線器，鋼絲刷，溶劑，樣品袋，刮刀或銼刀，標簽。

對熱處理后出現的零件質量缺陷，一般正確的分析步驟如下。

①首先到現場調查研究，了解缺陷發生的時間、地點、失效經過和部位；了解分布的具體特征，以及出現缺陷的數量和比例；保護好試樣的原始狀態；認真觀察外形和斷口的特征，考慮選取試樣的部位或方法，有可能作出初步的判斷；對零件的使用功能、工作條件和使用時間進行詳細的了解。然后收集缺陷部件的背景資料，查找相關的工作記錄，了解產品原始的質量檢驗報告與加熱設備狀況等。

②熱處理缺陷產生的原因是多方面的，缺陷原因多出現在加熱溫度、加熱方法、保護氣氛、冷卻介質和冷卻方法等幾個方面。對于化學熱處理過程的缺陷，應從活性介質的種類、具體的化學成分、均勻程度以及零件的材質等進行分析。

③認真了解零件的整個機械加工流程，在分析時既要注意原材料的質量狀態，也要了解機械加工過程中零件的表面溫度的變化，更要知道該零件的服役狀態和受力狀態，這有助于我們作出正確的判斷。應當清楚鍛造和零件的預備熱處理的熱加工工藝對最終產品質量的影響。要善于結合零件加工前后的狀態，尤其是幾個關鍵的工序應特別注意。

④認真觀察缺陷的特征，對于簡單的零件的缺陷分析，可借助于放大鏡、測量硬度等進行分析，對于比較復雜的零件在必要時要進行相關的理化分析實驗，比如鋼的火花鑒別、無損探傷檢驗（表面和內部的探傷）、化學成分的分析（光譜分析、電子探針等）、組織結構分析（X射線衍射分析）、金相檢驗以及宏觀檢驗、力學性能測試等。擬訂出針對性的分析方案，選定必要的試驗項目和試驗內容，熱處理工作者要掌握斷口知識和火花檢驗技術，將有助于從基礎做起，對缺陷作出正確的判斷。

⑤對于缺陷部位的取樣應進行認真考慮，力求選取有代表性的位置，如有必要在缺陷處和非缺陷處分別選定、標號、切取、保存、清洗，進行對比檢查。

需要注意試樣的選取、標號、清洗和保存應遵循以下要求。

a．取樣和標號　在切割時遠離斷口、裂紋；照相，同時應有代表性。

b．斷孔的保護與保存　用泡沫塑料、布包扎后置于干燥器中。

c．斷口的清理　斷口表面往往由于保護不好而容易造成污染和銹蝕等，應在觀察前，對斷口進行清洗。

斷口的清洗常采取以下幾種方法：用壓縮空氣或毛刷除掉表面的物質；油脂可用丙酮、氯仿等有機溶劑清洗零件的斷口，去油漬后再用無水乙醇清洗、吹干；將AC紙在丙酮中軟化后緊貼在斷口上；輕微氧化物可用醋酸纖維素薄膜多次空白復型，后用超聲波振蕩清洗；嚴重的銹蝕可用15%磷酸＋有機緩蝕劑在室溫下清洗，用蒸餾水沖洗后吹干；當斷口有防護涂料時，采用電化學電解清洗；化學蝕刻法清洗；等。

斷口的分析要點如下。

a．檢查破斷的起始點（表面、心部）的位置。

b．起始點的范圍和數量的多少。

c．有幾處起始點，其產生的先后順序。

d．斷口的起始點源于材料缺陷、應力集中、加工刀痕？

e．起始點的位置與應力集中是否一致？

f．引起斷裂是靜載荷還是沖擊載荷？

g．斷口類型是纖維狀還是結晶狀？是否具有貝殼紋？最后斷裂的位置。

h．零件的工作環境是否有污染，斷口有無污染？

⑥對所取得的信息、數據進行分析與評價，根據檢測的結果，解釋判斷的判據，認真分析清楚缺陷產生的根源，報告應提供必要的技術數據，結論的根據要充分、可靠，寫出有建議的報告。

（2）斷口的表現特征和形式　零件出現斷裂應進行正確的分析，從表面到內部的金相顯微結構，都有具體的表現，首先了解以下斷口的宏觀特征。

①靜載拉伸斷口。出現此類斷口的原因多半在于零件的強度不足，外加載荷過大等，其斷口又分為脆性拉伸和塑性拉伸斷口。脆性斷口特征為平直，無縮徑現象。而塑性拉伸斷口上具有三個區域：纖維狀區、放射狀區和剪切唇，斷口的起始點在中心附近，形成了劇烈的凹凸不平的纖維狀部分，同時也垂直于最大拉應力方向，隨后急速擴展為光亮的放射狀部分。而最后在外緣沿最大切應力發生剪切破壞，從而形成比較平滑的灰色剪切唇，具體見圖1-1。

可以看出斷口呈杯形，如果出現材料的脆性增大、加載速度的增加以及溫度的降低等，將使放射狀部分增多，甚至沒有纖維狀和剪切唇。

②扭轉斷口。在零件的單向扭轉的過程中，最大切應力發生在垂直于扭轉軸的平面上，而最大的正應力存在于與扭轉軸呈45°的所有平面上。注意，塑性材料的扭轉斷口與扭轉軸垂直，而脆性的斷口與螺旋軸呈接近45°角，并呈螺旋狀。

對塑性材料而言，如為單純的扭轉載荷，則扭轉斷口最終破斷在心部，假如同時還有較小的彎曲載荷，則最后的破斷還有許多破斷區域存在心部。通常扭轉破斷發生在花鍵、鍵槽等部位。

③疲勞斷口。疲勞斷口是在分析的使用過程中，疲勞斷裂占有很大的比例。疲勞斷裂從其受載的情況分為彎曲疲勞、扭轉疲勞和反復伸拉疲勞。

常見的疲勞斷口按斷裂過程可分為三個階段：疲勞核心區（疲勞源）、疲勞裂紋擴展區和最終的破斷區。疲勞核心區（裂紋源）可用肉眼或低倍放大鏡等大致觀察出來，一般表面硬化發生在表皮下，如零件脫碳或應力集中，而內部組織存在缺陷如夾渣、空洞和成分偏析，也可能在心部發生；疲勞裂紋擴展區常為貝殼狀或海灘狀，貝殼狀的推進線是從疲勞核心開始向四周推進，呈現出弧形的線條，其垂直于疲勞裂紋擴展的方向；最終的破斷區是指零件的疲勞裂紋擴展到一定的擴展深度，零件的載荷面積不足以支承外加載荷，發生突然破斷。

④彎曲疲勞斷口。零件承受純彎曲疲勞載荷時，表面所受應力很大，而中心為零。其規律為疲勞源存在于表面，沿與最大正應力相垂直的方向擴展，當零件的截面尺寸的強度承受不住外加載荷后，將會造成零件在該截面斷裂。

彎曲疲勞是零件使用中常見的失效原因，根據零件的工作受力情況，通常將彎曲疲勞分為單向彎曲疲勞、雙向彎曲疲勞和旋轉彎曲疲勞，其表現形式存在明顯的不同。分析斷口的形狀和特征以及三個區域的分布和大小，有助于判斷零件具體的受力情況和斷裂的形式，為正確設計零件和解決相關的工作條件提供有效的保證。下面將不同應力大小以及載荷下疲勞斷口狀態列于表1-6中，供分析和參考。

⑤扭轉疲勞斷口。扭轉疲勞斷口也存在可見的三個區域，如為脆性材料則斷口與零件呈45°角，而韌性材料為平直的斷口形態。圖1-2為汽車上直徑35mm的鋼拉桿扭轉疲勞斷口，硬度為HRC52～55，從圖中可以看到裂紋源在拉桿的很小的縱向剪切面上，隨后發展為45°角扭轉面和縱向剪切面，疲勞發展區始終圍繞起始的45°角的面上。

通過分析斷口的特征和具體形態，可以確定斷裂源和裂紋的擴展途徑，推斷出載荷的具體類型，判斷材料的性能以及推測零件的工作環境和周圍介質，為我們解決實際工作中出現的各類斷口提供依據。

由于產生零件熱處理缺陷的原因十分復雜，因此分析的思路和方法也不盡一致，要具體情況具體分析。只有通過不斷生產實踐和分析，逐漸提高分析問題和解決問題的能力，對缺陷分析準確，才能真正指導熱處理工作。