破損分析指引
面對損壞的零件,首先要觀察破斷面與零件的使用方式。回答下面的問題,就會列出破損形態的候選,並顯示是以哪些線索為根據。無法回答的問題保留「不知道」即可。答案會保留在網址中,可以直接分享。
本指引只是依照「線索與破損形態對應」的固定計分表排列候選,並不診斷原因。分數不是機率,會隨選擇的線索數量而變大。實際的破損分析會結合破斷面、斷面組織、成分、硬度與應力分析,並確認是否有多種形態同時作用。
破損形態的候選
回答問題後,破損形態的候選會連同作為根據的線索一起列在這裡。
以目前的答案不太符合的形態
答案會保留在本頁的網址中。傳送連結,對方就能開啟相同的答案與候選。答案不會傳送到伺服器。
破損形態的辨識方法與對策
本指引處理的 13 種形態。整理了辨識方法、確認用的試驗、常見的混淆與對策。
延性破壞(過負荷)一次承受超過材料強度的負荷,在大幅變形之後被扯斷的破壞。材料內部產生微小的孔洞,孔洞成長並相連而斷裂。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 斷裂處有頸縮、彎曲等大的塑性變形。圓棒受拉伸時,會形成邊緣有約 45° 傾斜剪唇的杯錐狀破斷面。
- 以掃描式電子顯微鏡(SEM)觀察,破斷面整面覆蓋著微小的凹坑(窩穴)。拉伸時為圓形的等軸窩穴,剪切時則為朝一個方向拉長的窩穴。
確認用的試驗
- 量測斷裂零件的尺寸與硬度,將承受的負荷與零件的強度(抗拉強度或0.2%偏位降伏強度)比較。
- 以同一批材料進行拉伸試驗或硬度試驗,確認材料是否具有規格要求的強度(是否有材料混用或熱處理不良)。
- 以應力分析,調查是否承受了設計時未預期的負荷。
常見的混淆
- 疲勞裂縫大幅成長之後的最終破斷區,也會是有窩穴的延性破斷面。不要只憑最後斷裂的部分就斷定為過負荷,要確認起點周圍是否有海灘紋或疲勞紋。
對策
- 材料
- 選擇具有所需強度與延性的材料與熱處理。
- 設計
- 對預期的最大負荷保留餘裕,並避免斷面急遽變化等應力集中。
- 環境與使用方式
- 重新檢討使用方式與保護裝置(阻止過負荷的機構),避免承受過大的負荷。
- 製造與維護
- 以進料與製程檢驗,防止因材料混用或熱處理不良造成的強度不足。
在計分表中加分的線索
以 SEM 觀察,整面都是窩穴(微小的凹坑) +3大(有頸縮、彎曲或伸長) +3衝擊,或突然承受很大的負荷 +2剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 +2經過長時間逐漸鼓脹或伸長 +1固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +1一般碳鋼、低合金鋼 +1幾乎沒有(碎片可以密合) −3幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) −3陶瓷、玻璃 −3海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) −2平坦而發亮的小面(劈裂)或河流花樣 −2以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) −2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 −2在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) −2人字紋(V 形花樣)或放射狀花樣指向起點 −1不是裂縫,而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 −1略有 −1反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) −1低溫(低於 0℃ 左右) −1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) −1橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −1數年以上 −1
相關名詞: 0.2%偏位降伏強度 加工硬化
確認用的題目:
脆性破壞幾乎不變形,裂縫快速傳播而斷裂的破壞。鋼在低溫、缺口或裂縫、衝擊、低韌性組織等條件重疊時容易發生;陶瓷與玻璃通常以這種形態損壞。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 破斷面平坦,大致垂直於負荷方向。沒有明顯的變形,碎片拼起來很吻合。
- 板或壁的破斷面上會出現人字紋(V 形花樣)或放射狀花樣,順著其方向追溯,就會找到起點。
- 以 SEM 觀察,可看到沿晶體特定晶面裂開的劈裂平坦小面,以及像河流般的河流花樣。在雜質偏析於晶界的回火脆性等情況下,也可能沿著晶界斷裂。
- 陶瓷與玻璃在起點周圍會形成稱為鏡面(mirror)的平滑區域,有方法可由其大小估算破壞時的應力(ASTM C1678)。
確認用的試驗
- 以沙丕衝擊試驗,調查使用溫度下的吸收能,以及由延性轉為脆性的溫度(延性-脆性轉移溫度)。
- 量測破壞韌性 K_IC,並由發現的裂縫尺寸與應力求出 K = Yσ√(πa),確認是否已達到破壞條件。
- 調查組織與化學成分,找出降低韌性的因素(粗大晶粒、偏析於晶界的雜質、焊接熱影響區的硬化)。
常見的混淆
- 即使最後的破斷面是脆性,起點也可能有由疲勞裂縫或應力腐蝕破裂形成的小裂縫,只是它達到臨界尺寸而斷裂(銀橋倒塌)。要以高倍率檢查起點。
- 肥粒鐵系的鋼(體心立方)在低溫下會急遽變脆,但鋁、銅、鎳的合金與沃斯田鐵系不鏽鋼(面心立方)沒有明顯的轉移。
對策
- 材料
- 選擇在使用溫度下具有足夠韌性(沙丕吸收能、破壞韌性)的鋼,並使晶粒細化。
- 設計
- 避免缺口與斷面急遽變化,並採用即使有裂縫、在破壞之前整個構件會先降伏的設計(破壞前降伏)。
- 環境與使用方式
- 在低於延性-脆性轉移溫度的溫度下,不施加衝擊性負荷。
- 製造與維護
- 檢查焊接缺陷與硬化,並管理焊接條件,避免產生韌性低的熱影響區。
在計分表中加分的線索
人字紋(V 形花樣)或放射狀花樣指向起點 +3平坦而發亮的小面(劈裂)或河流花樣 +3衝擊,或突然承受很大的負荷 +3低溫(低於 0℃ 左右) +3陶瓷、玻璃 +3幾乎沒有(碎片可以密合) +2一般碳鋼、低合金鋼 +2剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 +2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) +1大(有頸縮、彎曲或伸長) −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金(黃銅等) −3以 SEM 觀察,整面都是窩穴(微小的凹坑) −2以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) −2在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) −2高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) −2耐熱合金(鎳基超合金等) −2橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −2海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) −1不是裂縫,而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 −1幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) −1中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) −1樹脂(塑膠) −1
相關名詞: 破壞韌性 應力強度因子 Griffith理論 破壞前降伏 焊接熱影響區
確認用的題目:
疲勞即使應力低於降伏應力,反覆作用也會使裂縫產生並逐漸成長,最後剩餘斷面一口氣斷裂的破壞。是機械破損中最常見的形態之一。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 以肉眼可看到以起點為中心擴展的海灘紋(像貝殼的條紋)。這是運轉停止或負荷變化留下的痕跡。
- 有多個起點時,起點與起點之間會並排著棘輪紋(邊緣的段差)。
- 裂縫成長的區域平滑、沒有剪唇,有時會變色。最後斷裂的部分則是粗糙的面。
- 以 SEM 觀察,可看到大致代表每一循環裂縫前進量的疲勞紋。在鋁合金中清楚可見,在高強度鋼中有時不明顯。
- 起點多位於表面刮痕或缺口、焊趾、夾雜物等應力集中的地方。
確認用的試驗
- 以立體顯微鏡記錄起點、海灘紋與最終破斷區的位置與大小,並以 SEM 尋找疲勞紋。
- 由疲勞紋的間距估算裂縫成長速率與應力強度因子範圍 ΔK,反推所承受應力的大小。
- 量測起點的表面粗糙度、硬度與殘留應力(X 光繞射)。
- 以負荷量測或振動分析,估算反覆應力的大小與次數。
常見的混淆
- 看不到疲勞紋,不代表就不是疲勞。在成長緩慢的區域條紋不易看到,也可能因破斷面互相摩擦或腐蝕而消失。
- 應力腐蝕破裂的外觀有時與疲勞相似。要同時考慮負荷是否為反覆負荷、是否有特定的腐蝕環境來判斷。
- 不要只看最後斷裂部分的窩穴或劈裂,就判斷為過負荷或脆性破壞。
對策
- 材料
- 選擇疲勞強度高的材料,例如夾雜物少的潔淨鋼。
- 設計
- 減少缺口與斷面急遽變化造成的應力集中,並降低應力振幅與拉伸平均應力(以修正古德曼線圖評估)。
- 環境與使用方式
- 腐蝕會降低疲勞強度,因此要做好防蝕。
- 製造與維護
- 以珠擊、滲碳、氮化等在表面導入壓縮殘留應力,減少表面損傷,並修整焊趾的形狀。
在計分表中加分的線索
海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) +3以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) +3反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) +3棘輪紋(破斷面邊緣並排的段差;有多個起點) +2幾乎沒有(碎片可以密合) +2略有 +1反覆加熱與冷卻(啟動與停機、急冷) +1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) +1一般碳鋼、低合金鋼 +1鋁合金 +1數小時〜數個月 +1數年以上 +1固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) −3在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) −2衝擊,或突然承受很大的負荷 −2幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) −2看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 −1斷面上,細裂縫一邊分岔一邊前進 −1大(有頸縮、彎曲或伸長) −1陶瓷、玻璃 −1剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −1
相關名詞: 疲勞限 疲勞紋 Paris定律 Miner法則 修正古德曼線圖 應力集中係數
確認用的題目:
腐蝕疲勞反覆應力與腐蝕環境同時作用,使疲勞裂縫在比空氣中更低的應力、更少的次數下產生並成長的破壞。與應力腐蝕破裂不同,即使不是特定材料與環境的組合也會發生。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
確認用的試驗
- 以 EDS 等分析起點與破斷面的腐蝕生成物,調查是否含有氯化物等環境中的成分。
- 在實際環境中進行疲勞試驗。在海水中等環境,反覆的頻率越低,壽命可能大幅縮短,因此要以接近實際的頻率試驗。
常見的混淆
對策
- 材料
- 選擇在該環境中耐蝕性高的材料,或使用有防蝕被覆的材料。
- 設計
- 不要形成積水的縫隙或積液處,並降低應力振幅。
- 環境與使用方式
- 以塗裝、電鍍、陰極防蝕、水質管理抑制腐蝕。
- 製造與維護
- 以珠擊在表面導入壓縮殘留應力,並以檢查防止被覆受損。
在計分表中加分的線索
反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) +3海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) +2棘輪紋(破斷面邊緣並排的段差;有多個起點) +2以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) +2起點有孔蝕或腐蝕生成物 +2水、濕氣、結露 +2氯化物(海水、鹽分、融雪劑) +2數年以上 +2反覆負荷 × 氯化物 +2表面有許多呈網狀排列的裂縫,且被氧化物填滿 +1略有 +1幾乎沒有(碎片可以密合) +1一般碳鋼、低合金鋼 +1鋁合金 +1反覆負荷 × 水、濕氣 +1固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) −3樹脂(塑膠) −3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −3乾燥空氣 −2陶瓷、玻璃 −2剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −2
確認用的題目:
應力腐蝕破裂具有敏感性的材料承受拉伸應力(殘留應力亦可),並暴露於特定腐蝕環境時,在低於降伏應力的應力下裂縫成長的破裂。材料、應力、環境三者齊備時才會發生。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 細裂縫一邊分岔一邊前進。從外面看幾乎沒有腐蝕,露出表面的裂縫也很小,是不易發現的損傷。
- 氯化物造成的沃斯田鐵系不鏽鋼破裂,多為在晶粒內前進的穿晶破裂;氨造成的黃銅季裂,以及敏化不鏽鋼的破裂,則多為沿晶破裂。破裂的形態可以作為線索。
- 斷裂處沒有大的變形,裂縫內部或破斷面有時會因腐蝕生成物而變色。
確認用的試驗
- 將斷面研磨、腐蝕後以光學顯微鏡觀察,調查裂縫的分岔,以及是穿晶還是沿晶。
- 以 U 形彎曲試驗、定負荷試驗、慢應變速率試驗(SSRT),確認在該環境中的破裂敏感性。沃斯田鐵系不鏽鋼常用沸騰的 42% 氯化鎂進行試驗。
- 以 X 光繞射量測焊接或彎曲加工造成的拉伸殘留應力。
常見的混淆
- 外觀有時與疲勞相似。以負荷是否為反覆負荷、是否有特定環境來辨別。
- 氫脆、液態金屬脆化、潛變的沿晶破斷面,外觀也很相似。
- 由腐蝕產生的氫所驅動的破裂,陰極防蝕反而可能促進破裂,對策與金屬溶解而前進的類型相反。
對策
- 材料
- 可以改用含 Ni 多的鋼種或雙相不鏽鋼,或採用耐破裂的熱處理,例如將鋁合金 7075 過時效的 T73。
- 設計
- 減少拉伸殘留應力與應力集中,不要形成氯化物會濃縮的縫隙或積液處。
- 環境與使用方式
- 減少氯化物與溶氧,降低溫度,並使用抑制劑(腐蝕抑制劑)。一般認為沃斯田鐵系不鏽鋼的氯化物破裂在約 60℃以上容易發生。
- 製造與維護
- 以應力消除退火或珠擊降低拉伸殘留應力。應力消除退火廣泛用於碳鋼,但在沃斯田鐵系不鏽鋼上有時效果不佳。
在計分表中加分的線索
斷面上,細裂縫一邊分岔一邊前進 +3幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) +3濃鹼或氨 +3氯化物 × 沃斯田鐵系不鏽鋼 +3氨、鹼 × 銅合金(季裂) +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有(碎片可以密合) +2固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +2中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) +2氯化物(海水、鹽分、融雪劑) +2沃斯田鐵系不鏽鋼 +2銅合金(黃銅等) +2濃鹼 × 碳鋼(鹼脆) +2起點有孔蝕或腐蝕生成物 +1水、濕氣、結露 +1氫的來源(酸洗、電鍍、焊接、陰極防蝕、氫氣) +1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) +1鋁合金 +1數小時〜數個月 +1數年以上 +1樹脂(塑膠) −3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −3大(有頸縮、彎曲或伸長) −2乾燥空氣 −2以 SEM 觀察,整面都是窩穴(微小的凹坑) −1反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) −1衝擊,或突然承受很大的負荷 −1低溫(低於 0℃ 左右) −1高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) −1陶瓷、玻璃 −1剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −1
確認用的題目:
氫脆進入鋼等金屬的氫聚集在拉伸應力高的地方,使材料變脆,在施加負荷一段時間之後斷裂的現象(延遲破壞)。鋼的強度越高越容易發生。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 斷裂處幾乎沒有變形,高強度鋼多為沿著晶界的破斷面。
- 在固定負荷或螺栓鎖緊之下,經過一段時間後突然斷裂。
- 焊接時,焊後經過一段時間,熱影響區等處可能出現低溫破裂(氫致破裂)。
確認用的試驗
- 量測硬度或強度。一般認為鋼的降伏強度低於約 600 MPa 時不易發生,超過約 1000 MPa 時容易成為大問題。
- 調查製造履歷(酸洗、電鍍、焊接)與使用中的氫來源(腐蝕、陰極防蝕)。
- 以持續施加固定負荷的試驗或慢應變速率試驗,比較充氫與未充氫的試片。
常見的混淆
- 與應力腐蝕破裂有重疊之處,但氫脆即使沒有腐蝕環境,也會因電鍍或焊接時進入的氫而發生。
- 熱浸鍍鋅之後的破裂,液態金屬脆化與氫都有嫌疑,因此兩者都要調查。
對策
- 材料
- 不要把強度(硬度)提高到超過需要的程度。沃斯田鐵系的鋼中氫的擴散較慢,要經過長得多的時間才會脆化。
- 設計
- 重新檢討高強度螺栓的鎖緊力與應力集中,降低持續的拉伸應力。
- 環境與使用方式
- 管理陰極防蝕的電位,避免過度防蝕而產生氫。
- 製造與維護
- 酸洗或電鍍之後,以約 200℃ 數小時的烘烤除去氫。焊接時以預熱、後熱減緩冷卻,讓氫逸出。
在計分表中加分的線索
氫的來源(酸洗、電鍍、焊接、陰極防蝕、氫氣) +3高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) +3氫的來源 × 高強度鋼 +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有(碎片可以密合) +2固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +2幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) +2數小時〜數個月 +2平坦而發亮的小面(劈裂)或河流花樣 +1斷面上,細裂縫一邊分岔一邊前進 +1室溫附近 +1水、濕氣、結露 +1剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 +1樹脂(塑膠) −3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −3陶瓷、玻璃 −3大(有頸縮、彎曲或伸長) −2以 SEM 觀察,整面都是窩穴(微小的凹坑) −1反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) −1沃斯田鐵系不鏽鋼 −1
確認用的題目:
潛變斷裂在高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上)下長時間承受固定負荷,變形隨時間增加,晶界的孔洞或裂縫相連而斷裂的損壞方式。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 斷裂處附近的斷面上,有許多晶界孔洞(空穴)以及從晶粒三叉點長出的楔形裂縫。
- 晶界是潛變變形與損傷進展最快的地方,裂縫多沿著晶界前進。
- 潛變是變形隨時間增加的現象,因此在斷裂之前,變形可能以管的鼓脹或構件的伸長出現。
確認用的試驗
- 在使用溫度與應力下進行潛變斷裂試驗,以 Larson-Miller 參數換算溫度與時間,估算壽命。
- 由運轉紀錄調查實際的金屬溫度(是否有過熱),也從析出物粗大化等組織變化推定溫度履歷。
常見的混淆
- 只憑沿晶破斷面,很難與氫脆或應力腐蝕破裂區分,因此要把溫度與時間當作最重要的線索。
- 在溫度上下變動的使用方式中,要考慮熱疲勞,以及潛變與疲勞的重疊(熱機械疲勞)。
- 樹脂的熔點低,即使在室溫下,長時間承受負荷也會潛變伸長而破裂。本指引主要處理金屬的高溫潛變,但若樹脂有經長時間的伸長,就要懷疑潛變。
對策
- 設計
- 降低使用溫度與應力,以 Larson-Miller 參數等預估有餘裕的壽命。
- 環境與使用方式
- 防止過熱,並以熱障塗層等降低金屬的溫度。
- 製造與維護
- 正確進行固溶處理與時效的熱處理,得到目標的析出組織。
在計分表中加分的線索
斷裂處附近的斷面上,晶界有許多孔洞或楔形裂縫 +3經過長時間逐漸鼓脹或伸長 +3高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) +3耐熱合金(鎳基超合金等) +3樹脂 × 經長時間的伸長(樹脂在室溫下也會潛變) +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +2數年以上 +2略有 +1反覆加熱與冷卻(啟動與停機、急冷) +1高溫氣體(燃燒氣體、高溫空氣) +1低溫(低於 0℃ 左右) −3衝擊,或突然承受很大的負荷 −2室溫附近 −2剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −2反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) −1中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) −1橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −1
相關名詞: 潛變 冪律潛變 擴散潛變 Larson-Miller參數 鎳基超合金 變形機構圖
確認用的題目:
- 關於在一定負荷與溫度下量測的潛變曲線(應變與時間的關係)的3個階段,下列敘述何者正確?
- 在室溫下細化晶粒會提高強度(霍爾-佩奇關係),但在高溫下長時間承受負荷的零件,卻常使用粗晶粒或單晶。其理由何者正確?
- 某耐熱合金在某應力下,於1000 K經1000 h而潛變破斷。設Larson-Miller參數 P = T(C + log₁₀t_r)(T為絕對溫度,t_r為破斷時間、單位為h,C = 20)在相同應力下為一定,要在相同應力下得到10⁵ h的破斷壽命,溫度最接近下列何者?
- 噴射引擎的渦輪葉片使用單向凝固的柱狀晶或單晶鎳基超合金,其理由何者正確?
- 設潛變變得不可忽略的溫度標準為熔點(絕對溫度)的約0.4倍。對鋁(熔點660℃)而言,此標準最接近下列何者?
熱疲勞加熱與冷卻反覆進行,受到拘束而無法自由伸縮的部分反覆產生熱應力,使許多裂縫從表面產生並成長的疲勞。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 被急速冷卻的表面產生許多裂縫,看起來呈網狀(龜甲狀)。
- 裂縫寬,從表面開始,多被高溫下的氧化物填滿。以楔子般的形狀在晶粒內前進。
- 裂縫多沿著焊趾,或斷面厚度改變的地方出現。
確認用的試驗
- 由運轉紀錄調查啟動與停機的次數,以及溫度變化的速度,並由熱膨脹差與溫度差估算熱應力。
- 裂縫多與表面相連,因此以磁粒探傷或液滲探傷尋找。
常見的混淆
- 許多淺的裂縫,容易誤認為腐蝕造成的破裂。要確認裂縫是否集中在被急速冷卻的表面,以及是否垂直於熱應力的方向。
對策
- 材料
- 縮小互相組合的材料之間的熱膨脹差,並選擇熱膨脹小、導熱好的材料。
- 設計
- 採用能吸收伸縮的柔性支撐,並使焊接部與斷面變化平順。
- 環境與使用方式
- 管理啟動與停機時加熱與冷卻的速度,避免冷水淋到高溫的部分。
- 製造與維護
- 將焊趾修整平滑,減少應力集中。
在計分表中加分的線索
表面有許多呈網狀排列的裂縫,且被氧化物填滿 +3反覆加熱與冷卻(啟動與停機、急冷) +3高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) +2耐熱合金(鎳基超合金等) +2海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) +1棘輪紋(破斷面邊緣並排的段差;有多個起點) +1以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) +1幾乎沒有(碎片可以密合) +1高溫氣體(燃燒氣體、高溫空氣) +1數年以上 +1樹脂(塑膠) −2橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −2固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) −1低溫(低於 0℃ 左右) −1
確認用的題目:
液態金屬脆化被熔融金屬(鋅、銅、錫、汞、鎵等)潤濕的固體金屬,在拉伸應力下大幅失去延性或破壞應力,沿著晶界破裂的現象。是熱浸鍍鋅破裂的知名原因。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 接觸熔融金屬時,幾乎不變形就破裂。熱浸鍍鋅的鋼,會在鋅層之下產生沿著晶界的裂縫。
- 破斷面的晶界被鋅等引起破裂的金屬覆蓋。
- 知名的組合有鋁與鎵、汞,鋼與鋅、銅、錫,銅合金與汞等。
確認用的試驗
常見的混淆
- 因為是沿晶破斷面,容易與應力腐蝕破裂或氫脆混淆。要確認是否有接觸熔融金屬的履歷。
- 電鍍之後的破裂,也可能是由鋼吸收的氫造成,因此兩者都要調查。
對策
- 材料
- 選擇鋼時,注意會偏析於晶界而促進破裂的成分(銅、錫等)。
- 設計
- 採用冷彎或焊接造成的拉伸殘留應力不會集中的形狀。
- 環境與使用方式
- 使用中避免接觸銲錫、汞等熔融金屬。
- 製造與維護
- 管理電鍍前的加工與焊接條件,以及電鍍作業的條件。
在計分表中加分的線索
破斷面或晶界上附著鋅、銲錫等其他金屬 +3熔融金屬(熱浸鍍鋅、銲錫、硬銲料、汞) +3看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 +2幾乎沒有(碎片可以密合) +2幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) +2剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 +2固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +1高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) +1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) +1鋁合金 +1銅合金(黃銅等) +1熔融金屬 × 製造中、剛開始使用 +1樹脂(塑膠) −3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −3陶瓷、玻璃 −3大(有頸縮、彎曲或伸長) −2數年以上 −2
相關名詞: SEM(掃描式電子顯微鏡) EDS(能量散布式X光能譜法)
確認用的題目:
磨耗材料從接觸並滑動、滾動或摩擦的表面逐漸流失的損傷。有黏著磨耗、磨粒磨耗、微動磨耗、滾動接觸疲勞等。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
確認用的試驗
- 觀察磨耗面,調查刮痕的方向與磨屑的形狀與成分,並將表面硬度與對偶面或混入顆粒的硬度比較。
- 以銷盤試驗(pin-on-disk)等量測磨耗量,以 Archard磨耗方程式 V = KWL/H 比較材料與條件。
常見的混淆
- 因磨耗而變薄的部分,最後也可能破裂,因此不只看破裂的部分,也要確認在那之前尺寸是否已經減少。
- 在流動中配管壁厚減少的損傷(沖蝕腐蝕)是沒有接觸對象的另一種機制,對策也不同。
對策
- 材料
- 使表面硬度達到與對偶顆粒相同程度以上(滲碳、氮化、硬質膜等)。
- 設計
- 降低面壓與滑動速度。
- 環境與使用方式
- 使潤滑接近流體潤滑(Stribeck 曲線),並防止砂等異物進入。
- 製造與維護
- 管理表面粗糙度與加工精度,使凸起不易穿過油膜而接觸。
在計分表中加分的線索
不是裂縫,而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 +3在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) +3與對偶面的滑動、摩擦或滾動 +3內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸,並且變薄 +1高速流動、液滴或含顆粒的流動 +1橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) +1陶瓷、玻璃 +1數年以上 +1剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −1
相關名詞: Archard磨耗方程式 黏著磨耗 磨粒磨耗 Stribeck曲線 滲碳 氮化處理
確認用的題目:
流動造成的壁厚減薄(沖蝕腐蝕)在高速的水或蒸汽流動中,碳鋼表面具保護性的氧化皮膜溶出並被流動帶走,壁厚逐漸減少的損傷。在核能領域也稱為流動加速腐蝕(FAC)。最後會無法承受內壓而破裂。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 配管內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸,局部變薄。
- 在孔口板、彎頭、T 形接頭的下游等流動紊亂的地方變薄。
- 破口周圍非常薄,變薄的部分因內壓而裂開。
確認用的試驗
- 以超音波測厚儀量測壁厚,由與上次數值的差估算減薄速率與剩餘壽命。
- 分析鋼的 Cr 含量(即使是少量的 Cr 也會減緩減薄)。
- 調查水質(pH、溶氧)與溫度、流動的紀錄。一般認為在單相水流中,約 140〜160℃ 時減薄最快。
常見的混淆
- 減薄是局部的,不能像均勻腐蝕那樣由平均腐蝕速率預測。
- 蒸汽中液滴撞擊造成的液滴衝擊沖蝕也會造成減薄,但發生的位置與對策不同。
對策
- 材料
- 改用含 Cr 的低合金鋼(1.25%Cr 以上的 Cr-Mo 鋼)或不鏽鋼。
- 設計
- 減少擾亂流動的複雜形狀。
- 環境與使用方式
- 將 pH 保持在弱鹼性,並管理溶氧。
- 製造與維護
- 將要檢查的位置無遺漏地登錄,並優先量測流動紊亂處的壁厚。
在計分表中加分的線索
內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸,並且變薄 +3在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) +3高速流動、液滴或含顆粒的流動 +3高速流動 × 碳鋼 +3中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) +2數年以上 +2不是裂縫,而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 +1水、濕氣、結露 +1一般碳鋼、低合金鋼 +1沃斯田鐵系不鏽鋼 −3樹脂(塑膠) −3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) −3陶瓷、玻璃 −3剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 −3乾燥空氣 −2高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) −1鋁合金 −1銅合金(黃銅等) −1耐熱合金(鎳基超合金等) −1
確認用的題目:
高分子在低溫下的彈性降低與脆化高分子在溫度降低而接近、甚至低於玻璃轉移溫度時,分子運動凍結,失去像橡膠般的柔軟性。橡膠密封件被壓扁後恢復原形變慢,無法堵住縫隙;樹脂則變脆而容易破裂。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 橡膠密封件即使沒有破裂,也可能留下從縫隙洩漏的痕跡,或熱造成的損傷(燒焦、侵蝕)。
- 樹脂零件在低於玻璃轉移溫度時分子不易運動,可能幾乎不變形就破裂(例如聚丙烯的玻璃轉移溫度約為 −20〜0℃)。
確認用的試驗
- 在使用溫度下,量測橡膠從壓縮狀態恢復原形的速度(彈性恢復)。
- 量測玻璃轉移溫度,並與最低使用溫度比較。
- 在包含最低溫度的使用範圍內,以盡可能接近實物的狀態進行試驗。
常見的混淆
- 密封件的故障沒有破裂或破斷面,因此有時不易察覺是材料的問題。
- 高分子的性質取決於時間與溫度,降低溫度與在更短時間(快速變形)下量測具有相同的效果。在低溫下,要跟上快速的動作更加困難。
對策
- 材料
- 選擇玻璃轉移溫度遠低於最低使用溫度的材料。
- 設計
- 採用對溫度與尺寸變異不敏感的設計,使密封件在縫隙變動時也能跟上。
- 環境與使用方式
- 以加熱器等保持溫度,或設定使用(發射、運轉)的溫度限制。
- 製造與維護
- 在包含低溫的整個使用範圍內,以接近實際使用方式的試驗進行認證。
在計分表中加分的線索
低溫(低於 0℃ 左右) +3橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) +3樹脂(塑膠) +2橡膠、彈性體 × 低溫 +2樹脂 × 低溫 +2塑膠上有細小的條紋(銀紋)或白化 +1幾乎沒有(碎片可以密合) +1高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) −3高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) −3一般碳鋼、低合金鋼 −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金(黃銅等) −3耐熱合金(鎳基超合金等) −3陶瓷、玻璃 −3中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) −2大(有頸縮、彎曲或伸長) −1室溫附近 −1
確認用的題目:
樹脂的環境應力破裂樹脂在承受拉伸應力(殘留應力亦可)的狀態下,接觸油、溶劑、清潔劑(界面活性劑)等液體時,在遠低於平常的應力下產生銀紋或裂縫而破裂的現象。與金屬的應力腐蝕破裂相似,在聚碳酸酯等非晶性(玻璃狀)樹脂中容易成為問題。
辨識方法(破斷面、斷面組織、SEM)
- 從彎曲、鎖緊、壓入等造成應力高的地方,產生許多細小的銀紋或裂縫,其中一條發展成破裂。
- 破裂附近有時會變白(白化)。
- 變形少,以脆性方式破裂。
確認用的試驗
- 將試片彎曲固定並塗上液體,調查到出現裂縫或銀紋為止的時間或應變(聚乙烯有 ASTM D1693 等標準)。
- 調查附著在零件上的液體、清潔劑、潤滑劑的成分,確認使用環境。
常見的混淆
- 即使樹脂沒有膨潤或溶解也會發生,因此即使液體看起來無害也要懷疑。
- 即使是無害濃度的液體,因蒸發等而濃縮後也可能引起破裂。
對策
- 材料
- 選擇對接觸的液體不易破裂的樹脂。
- 設計
- 降低鎖緊、壓入、彎曲造成的拉伸應力。
- 環境與使用方式
- 避免接觸會引起破裂的液體(溶劑、界面活性劑等)。
- 製造與維護
- 減少成形的殘留應力。
在計分表中加分的線索
塑膠上有細小的條紋(銀紋)或白化 +3油、溶劑、清潔劑(界面活性劑) +3樹脂(塑膠) +3固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) +2幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) +2樹脂 × 油、溶劑、清潔劑 +2幾乎沒有(碎片可以密合) +1室溫附近 +1橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) +1數小時〜數個月 +1高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) −3一般碳鋼、低合金鋼 −3沃斯田鐵系不鏽鋼 −3鋁合金 −3銅合金(黃銅等) −3耐熱合金(鎳基超合金等) −3陶瓷、玻璃 −3大(有頸縮、彎曲或伸長) −2高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) −1
確認用的題目:
從事故案例學習
因材料破損而引發的知名事故。事實只記載經官方調查報告等確認過的數值。
- 阿囉哈航空 243 號班機事故(1988 年):機身搭接接頭的疲勞與腐蝕從材料的角度解說 1988 年阿囉哈航空 243 號班機的波音 737 在飛行中失去機身上部的事故。根據 NTSB 的報告與 FAA 的資料,整理黏著剝離、腐蝕,以及從鉚釘孔產生的許多疲勞裂縫是如何串連起來的。
- 銀橋倒塌(1967 年):從眼桿的小裂縫開始的脆性破壞從材料的角度解說 1967 年美國俄亥俄河上的銀橋倒塌、造成 46 人死亡的事故。根據 NTSB 的報告等資料,整理眼桿的眼孔部位由應力腐蝕形成、深度不到約 3 mm 的裂縫,如何成為劈裂破壞的起點,以及其後橋梁檢查標準的變化。
- 挑戰者號事故(1986 年):低溫使 O 形環的彈性恢復變慢從材料的角度解說 1986 年太空梭挑戰者號的事故。根據總統調查委員會的報告,整理在寒冷的早晨,固體火箭推進器接頭的橡膠 O 形環恢復原形變慢、無法堵住縫隙的經過。
- 美濱發電廠 3 號機的配管破損(2004 年):孔口板下游的壁厚減薄從材料的角度解說 2004 年關西電力美濱發電廠 3 號機二次系統的凝結水管破裂、造成 5 名作業人員死亡的事故。根據日本原子力安全保安院的最終報告等資料,整理碳鋼配管因沖蝕腐蝕從 10 mm 減薄到 0.4 mm 的經過。
判定表(計分表)
候選的排名,是將這張表的分數相加而決定的。+ 表示符合的線索,− 表示不符合的線索。
開啟計分表
| 線索 | 延性 | 脆性 | 疲勞 | 腐蝕疲勞 | 應力腐蝕 | 氫 | 潛變 | 熱疲勞 | 液態金屬 | 磨耗 | 減薄 | 低溫高分子 | 環境應力破裂 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 破斷面與裂縫的外觀 | |||||||||||||
| 海灘紋(以起點為中心擴展、像貝殼的條紋) | −2 | −1 | +3 | +2 | +1 | ||||||||
| 棘輪紋(破斷面邊緣並排的段差;有多個起點) | +2 | +2 | +1 | ||||||||||
| 人字紋(V 形花樣)或放射狀花樣指向起點 | −1 | +3 | |||||||||||
| 以 SEM 觀察,整面都是窩穴(微小的凹坑) | +3 | −2 | −1 | −1 | |||||||||
| 平坦而發亮的小面(劈裂)或河流花樣 | −2 | +3 | +1 | ||||||||||
| 以 SEM 可看到疲勞紋(細小的平行條紋) | −2 | −2 | +3 | +2 | +1 | ||||||||
| 看得出晶粒形狀的沿晶破斷面 | −2 | +1 | −1 | +2 | +2 | +2 | +2 | ||||||
| 斷面上,細裂縫一邊分岔一邊前進 | −1 | +3 | +1 | ||||||||||
| 表面有許多呈網狀排列的裂縫,且被氧化物填滿 | +1 | +3 | |||||||||||
| 斷裂處附近的斷面上,晶界有許多孔洞或楔形裂縫 | +3 | ||||||||||||
| 起點有孔蝕或腐蝕生成物 | +2 | +1 | |||||||||||
| 不是裂縫,而是表面有刮痕、磨損或對偶材料的轉移附著 | −1 | −1 | +3 | +1 | |||||||||
| 內表面被侵蝕成鱗片狀或像橘子皮般凹凸,並且變薄 | +1 | +3 | |||||||||||
| 塑膠上有細小的條紋(銀紋)或白化 | +1 | +3 | |||||||||||
| 破斷面或晶界上附著鋅、銲錫等其他金屬 | +3 | ||||||||||||
| 斷裂處的變形 | |||||||||||||
| 大(有頸縮、彎曲或伸長) | +3 | −3 | −1 | −2 | −2 | −2 | −1 | −2 | |||||
| 略有 | −1 | +1 | +1 | +1 | |||||||||
| 幾乎沒有(碎片可以密合) | −3 | +2 | +2 | +1 | +2 | +2 | +1 | +2 | +1 | +1 | |||
| 經過長時間逐漸鼓脹或伸長 | +1 | +3 | |||||||||||
| 在斷裂之前,材料已經減少(壁厚減薄、磨損) | −2 | −2 | −2 | +3 | +3 | ||||||||
| 承受的負荷 | |||||||||||||
| 固定負荷(自重、內壓、鎖緊力等) | +1 | −3 | −3 | +2 | +2 | +2 | −1 | +1 | +2 | ||||
| 反覆負荷(振動、旋轉、壓力或負荷的變動) | −1 | +3 | +3 | −1 | −1 | −1 | |||||||
| 衝擊,或突然承受很大的負荷 | +2 | +3 | −2 | −1 | −2 | ||||||||
| 反覆加熱與冷卻(啟動與停機、急冷) | +1 | +1 | +3 | ||||||||||
| 幾乎沒有外部負荷(焊接、彎曲加工、壓入的殘留應力) | −3 | −1 | −2 | +3 | +2 | +2 | +2 | ||||||
| 與對偶面的滑動、摩擦或滾動 | +3 | ||||||||||||
| 使用溫度 | |||||||||||||
| 低溫(低於 0℃ 左右) | −1 | +3 | −1 | −3 | −1 | +3 | |||||||
| 室溫附近 | +1 | −2 | −1 | +1 | |||||||||
| 中溫(約 60〜300℃;熱水、蒸汽的配管等) | −1 | +2 | −1 | +2 | −2 | ||||||||
| 高溫(熔點絕對溫度的約 0.4 倍以上;鋼約為 450℃以上) | −2 | −1 | +3 | +2 | +1 | −1 | −3 | −1 | |||||
| 周圍環境 | |||||||||||||
| 乾燥空氣 | −2 | −2 | −2 | ||||||||||
| 水、濕氣、結露 | +2 | +1 | +1 | +1 | |||||||||
| 氯化物(海水、鹽分、融雪劑) | +2 | +2 | |||||||||||
| 氫的來源(酸洗、電鍍、焊接、陰極防蝕、氫氣) | +1 | +3 | |||||||||||
| 濃鹼或氨 | +3 | ||||||||||||
| 高溫氣體(燃燒氣體、高溫空氣) | +1 | +1 | |||||||||||
| 熔融金屬(熱浸鍍鋅、銲錫、硬銲料、汞) | +3 | ||||||||||||
| 高速流動、液滴或含顆粒的流動 | +1 | +3 | |||||||||||
| 油、溶劑、清潔劑(界面活性劑) | +3 | ||||||||||||
| 材料 | |||||||||||||
| 高強度鋼(淬火回火的高強度螺栓、彈簧等) | −1 | +1 | +1 | +1 | +3 | +1 | −3 | −3 | |||||
| 一般碳鋼、低合金鋼 | +1 | +2 | +1 | +1 | +1 | −3 | −3 | ||||||
| 沃斯田鐵系不鏽鋼 | −3 | +2 | −1 | −3 | −3 | −3 | |||||||
| 鋁合金 | −3 | +1 | +1 | +1 | +1 | −1 | −3 | −3 | |||||
| 銅合金(黃銅等) | −3 | +2 | +1 | −1 | −3 | −3 | |||||||
| 耐熱合金(鎳基超合金等) | −2 | +3 | +2 | −1 | −3 | −3 | |||||||
| 樹脂(塑膠) | −1 | −3 | −3 | −3 | −2 | −3 | −3 | +2 | +3 | ||||
| 橡膠、彈性體(密封件、O 形環等) | −1 | −2 | −3 | −3 | −3 | −1 | −2 | −3 | +1 | −3 | +3 | +1 | |
| 陶瓷、玻璃 | −3 | +3 | −1 | −2 | −1 | −3 | −3 | +1 | −3 | −3 | −3 | ||
| 損壞前的期間 | |||||||||||||
| 剛開始使用、製造中,或第一次承受大負荷時 | +2 | +2 | −1 | −2 | −1 | +1 | −2 | +2 | −1 | −3 | |||
| 數小時〜數個月 | +1 | +1 | +2 | +1 | |||||||||
| 數年以上 | −1 | +1 | +2 | +1 | +2 | +1 | −2 | +1 | +2 | ||||
| 組合加分(兩者都選時加上) | |||||||||||||
| 氯化物 × 沃斯田鐵系不鏽鋼 | +3 | ||||||||||||
| 氨、鹼 × 銅合金(季裂) | +3 | ||||||||||||
| 濃鹼 × 碳鋼(鹼脆) | +2 | ||||||||||||
| 氫的來源 × 高強度鋼 | +3 | ||||||||||||
| 反覆負荷 × 氯化物 | +2 | ||||||||||||
| 反覆負荷 × 水、濕氣 | +1 | ||||||||||||
| 高速流動 × 碳鋼 | +3 | ||||||||||||
| 熔融金屬 × 製造中、剛開始使用 | +1 | ||||||||||||
| 橡膠、彈性體 × 低溫 | +2 | ||||||||||||
| 樹脂 × 油、溶劑、清潔劑 | +2 | ||||||||||||
| 樹脂 × 低溫 | +2 | ||||||||||||
| 樹脂 × 經長時間的伸長(樹脂在室溫下也會潛變) | +3 | ||||||||||||
常見問題
破斷面上有海灘紋,就可以斷定是疲勞嗎?
這是有力的線索,但單憑這一點無法斷定。海灘紋在腐蝕疲勞與熱疲勞中也會出現,而應力腐蝕破裂的外觀有時也與疲勞相似。要同時考慮負荷是否為反覆負荷、處於什麼樣的環境,並以掃描式電子顯微鏡尋找疲勞紋。不過,看不到疲勞紋並不代表就不是疲勞。
只憑沿著晶界的破斷面(沿晶破斷面),能知道原因嗎?
不能。氫脆、應力腐蝕破裂、液態金屬脆化、潛變、回火脆性等造成的沿晶破斷面,外觀往往非常相似。需要結合材料的強度、溫度與時間、腐蝕環境、是否接觸熔融金屬,以及製造履歷(電鍍、焊接)來辨別。
為什麼起點與最後斷裂的部分,破斷面的外觀會不同?
因為裂縫產生並逐漸成長的機制,與最後剩餘斷面一口氣斷裂的機制,往往不同。例如,由應力腐蝕形成的數 mm 裂縫,可能在低溫、韌性低的鋼中達到臨界尺寸,最後以脆性破壞斷裂。不要只憑最後的破斷面判斷,要以高倍率檢查起點。
可以把本指引的結果,當作事故或故障的原因寫進報告嗎?
不可以。本指引是整理觀察到的線索、思考下一步該確認什麼的學習用工具。要判斷原因,必須妥善保存試樣,進行破斷面觀察、斷面組織、成分分析、機械試驗、應力分析等,並由專家綜合判斷。