1.2　缺陷分析的步骤与方法

零件在热处理过程中，影响其热处理质量的因素众多，因此会出现这样或那样的热处理缺陷。美国哈佛大学的德鲁斯教授（U. R. Andrews）指出“无论多小的意外事故，都是组织管理上的失误”。由此可见管理的重要程度，因此在实际的热处理工程中，要认真分析和处理可能出现的缺陷，采取措施杜绝类似事件的发生。

零件的缺陷分析是一项系统工程，是综合性的管理工程技术和多种现代科学技术的汇总。它具有三个特性：集合性、关联性和目的性。一般缺陷分析采取故障树分析法（FTA）和失效模式及后果分析法（FMEA与FMECA）。其中故障树分析法应明确三个目的：查明与缺陷发生有关的可能的原因、把分析对象的过程或结果形象地表示出来以及方便计算出缺陷的概率。而FMEA则具有以下特点：利用表格形式分析缺陷；从低层向高层分析，对潜在的缺陷按要求影响程度确定等级，提高改善的措施；全面分析缺陷的产生。因此应用上述分析方法，对出现的热处理质量问题进行分析，就能正确判断和得出结论，用于指导热处理工作者进行产品热处理缺陷的分析，从而避免质量问题的再次发生。

（1）分析的思路和程序　对零件在热处理过程中出现的缺陷，要深入生产现场，亲眼看到实物，把听到和看到的作综合考虑，查明原因，确定对策，排除故障和影响因素，解决出现的质量问题。日本的大和重久提出了“GOLT”精神，即Go（去现场）、Observe（认真观察）、Listen（听取情况）、Think（分析和思考），实践证明该程序是指导一切热处理工作的思路，避免走弯路，同时有助于确定缺陷的产生的根源。

分析缺陷应注意以下几个方面：分析缺陷产生的原因；分析的对象；入手的部位；承担的任务；完成的时间；如何去做；分析的水平等。即“5W2H”原则。进行现场缺陷分析时还应使用合理的工具，便于及时记录和找出第一手的资料，下面为几种常用的工具：相机，内径千分尺，外径千分尺，放大镜（10倍左右），导线，镊子，磁铁，软毛刷，画线器，钢丝刷，溶剂，样品袋，刮刀或锉刀，标签。

对热处理后出现的零件质量缺陷，一般正确的分析步骤如下。

①首先到现场调查研究，了解缺陷发生的时间、地点、失效经过和部位；了解分布的具体特征，以及出现缺陷的数量和比例；保护好试样的原始状态；认真观察外形和断口的特征，考虑选取试样的部位或方法，有可能作出初步的判断；对零件的使用功能、工作条件和使用时间进行详细的了解。然后收集缺陷部件的背景资料，查找相关的工作记录，了解产品原始的质量检验报告与加热设备状况等。

②热处理缺陷产生的原因是多方面的，缺陷原因多出现在加热温度、加热方法、保护气氛、冷却介质和冷却方法等几个方面。对于化学热处理过程的缺陷，应从活性介质的种类、具体的化学成分、均匀程度以及零件的材质等进行分析。

③认真了解零件的整个机械加工流程，在分析时既要注意原材料的质量状态，也要了解机械加工过程中零件的表面温度的变化，更要知道该零件的服役状态和受力状态，这有助于我们作出正确的判断。应当清楚锻造和零件的预备热处理的热加工工艺对最终产品质量的影响。要善于结合零件加工前后的状态，尤其是几个关键的工序应特别注意。

④认真观察缺陷的特征，对于简单的零件的缺陷分析，可借助于放大镜、测量硬度等进行分析，对于比较复杂的零件在必要时要进行相关的理化分析实验，比如钢的火花鉴别、无损探伤检验（表面和内部的探伤）、化学成分的分析（光谱分析、电子探针等）、组织结构分析（X射线衍射分析）、金相检验以及宏观检验、力学性能测试等。拟订出针对性的分析方案，选定必要的试验项目和试验内容，热处理工作者要掌握断口知识和火花检验技术，将有助于从基础做起，对缺陷作出正确的判断。

⑤对于缺陷部位的取样应进行认真考虑，力求选取有代表性的位置，如有必要在缺陷处和非缺陷处分别选定、标号、切取、保存、清洗，进行对比检查。

需要注意试样的选取、标号、清洗和保存应遵循以下要求。

a．取样和标号　在切割时远离断口、裂纹；照相，同时应有代表性。

b．断孔的保护与保存　用泡沫塑料、布包扎后置于干燥器中。

c．断口的清理　断口表面往往由于保护不好而容易造成污染和锈蚀等，应在观察前，对断口进行清洗。

断口的清洗常采取以下几种方法：用压缩空气或毛刷除掉表面的物质；油脂可用丙酮、氯仿等有机溶剂清洗零件的断口，去油渍后再用无水乙醇清洗、吹干；将AC纸在丙酮中软化后紧贴在断口上；轻微氧化物可用醋酸纤维素薄膜多次空白复型，后用超声波振荡清洗；严重的锈蚀可用15%磷酸＋有机缓蚀剂在室温下清洗，用蒸馏水冲洗后吹干；当断口有防护涂料时，采用电化学电解清洗；化学蚀刻法清洗；等。

断口的分析要点如下。

a．检查破断的起始点（表面、心部）的位置。

b．起始点的范围和数量的多少。

c．有几处起始点，其产生的先后顺序。

d．断口的起始点源于材料缺陷、应力集中、加工刀痕？

e．起始点的位置与应力集中是否一致？

f．引起断裂是静载荷还是冲击载荷？

g．断口类型是纤维状还是结晶状？是否具有贝壳纹？最后断裂的位置。

h．零件的工作环境是否有污染，断口有无污染？

⑥对所取得的信息、数据进行分析与评价，根据检测的结果，解释判断的判据，认真分析清楚缺陷产生的根源，报告应提供必要的技术数据，结论的根据要充分、可靠，写出有建议的报告。

（2）断口的表现特征和形式　零件出现断裂应进行正确的分析，从表面到内部的金相显微结构，都有具体的表现，首先了解以下断口的宏观特征。

①静载拉伸断口。出现此类断口的原因多半在于零件的强度不足，外加载荷过大等，其断口又分为脆性拉伸和塑性拉伸断口。脆性断口特征为平直，无缩径现象。而塑性拉伸断口上具有三个区域：纤维状区、放射状区和剪切唇，断口的起始点在中心附近，形成了剧烈的凹凸不平的纤维状部分，同时也垂直于最大拉应力方向，随后急速扩展为光亮的放射状部分。而最后在外缘沿最大切应力发生剪切破坏，从而形成比较平滑的灰色剪切唇，具体见图1-1。

可以看出断口呈杯形，如果出现材料的脆性增大、加载速度的增加以及温度的降低等，将使放射状部分增多，甚至没有纤维状和剪切唇。

②扭转断口。在零件的单向扭转的过程中，最大切应力发生在垂直于扭转轴的平面上，而最大的正应力存在于与扭转轴呈45°的所有平面上。注意，塑性材料的扭转断口与扭转轴垂直，而脆性的断口与螺旋轴呈接近45°角，并呈螺旋状。

对塑性材料而言，如为单纯的扭转载荷，则扭转断口最终破断在心部，假如同时还有较小的弯曲载荷，则最后的破断还有许多破断区域存在心部。通常扭转破断发生在花键、键槽等部位。

③疲劳断口。疲劳断口是在分析的使用过程中，疲劳断裂占有很大的比例。疲劳断裂从其受载的情况分为弯曲疲劳、扭转疲劳和反复伸拉疲劳。

常见的疲劳断口按断裂过程可分为三个阶段：疲劳核心区（疲劳源）、疲劳裂纹扩展区和最终的破断区。疲劳核心区（裂纹源）可用肉眼或低倍放大镜等大致观察出来，一般表面硬化发生在表皮下，如零件脱碳或应力集中，而内部组织存在缺陷如夹渣、空洞和成分偏析，也可能在心部发生；疲劳裂纹扩展区常为贝壳状或海滩状，贝壳状的推进线是从疲劳核心开始向四周推进，呈现出弧形的线条，其垂直于疲劳裂纹扩展的方向；最终的破断区是指零件的疲劳裂纹扩展到一定的扩展深度，零件的载荷面积不足以支承外加载荷，发生突然破断。

④弯曲疲劳断口。零件承受纯弯曲疲劳载荷时，表面所受应力很大，而中心为零。其规律为疲劳源存在于表面，沿与最大正应力相垂直的方向扩展，当零件的截面尺寸的强度承受不住外加载荷后，将会造成零件在该截面断裂。

弯曲疲劳是零件使用中常见的失效原因，根据零件的工作受力情况，通常将弯曲疲劳分为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳和旋转弯曲疲劳，其表现形式存在明显的不同。分析断口的形状和特征以及三个区域的分布和大小，有助于判断零件具体的受力情况和断裂的形式，为正确设计零件和解决相关的工作条件提供有效的保证。下面将不同应力大小以及载荷下疲劳断口状态列于表1-6中，供分析和参考。

⑤扭转疲劳断口。扭转疲劳断口也存在可见的三个区域，如为脆性材料则断口与零件呈45°角，而韧性材料为平直的断口形态。图1-2为汽车上直径35mm的钢拉杆扭转疲劳断口，硬度为HRC52～55，从图中可以看到裂纹源在拉杆的很小的纵向剪切面上，随后发展为45°角扭转面和纵向剪切面，疲劳发展区始终围绕起始的45°角的面上。

通过分析断口的特征和具体形态，可以确定断裂源和裂纹的扩展途径，推断出载荷的具体类型，判断材料的性能以及推测零件的工作环境和周围介质，为我们解决实际工作中出现的各类断口提供依据。

由于产生零件热处理缺陷的原因十分复杂，因此分析的思路和方法也不尽一致，要具体情况具体分析。只有通过不断生产实践和分析，逐渐提高分析问题和解决问题的能力，对缺陷分析准确，才能真正指导热处理工作。