材料損壞分析課程大綱

損壞與損壞分析張士欽（臺灣新竹清華大學(xué)教授）2009春季于上海交通大學(xué)上課時間和地點：每周二、周四上午3?4節(jié)，陳瑞球樓205（2009年2月24日至4月26日）課程大綱36學(xué)時共分18次授課每次2學(xué)時教學(xué)方式（TeachingMethod）1.講授 2.實例研討 3.個別報告教學(xué)進度（Syllabus）第一次--損-壞及損壞分析簡介（一）第二次--損-壞及損壞分析簡介（二）第三次--斷-裂面相學(xué)第四次--脆-性及延性破壞，塑變不穩(wěn)定性第五次--材-料之韌性與破壞力學(xué)簡介第六次--脆性破裂依據(jù)KIC第七次--J分與延性破裂判據(jù)第八次--疲-勞第九次--期-中考40%第十次--磨-損第十一次--腐-蝕第十二次--應(yīng)-力蝕裂與腐蝕疲勞第十三次--氫-破壞，LME，SME，SourGas第十四次--材-料高溫破壞第十五次--復(fù)-合與陶瓷材料破壞第十六次--電-子材料破壞第十七次--期-末報告與檢討10%第十八次--期-末考40%損壞及損壞分析簡介一、損壞：對象若有下列狀況之一，即稱為損壞:根本不能運轉(zhuǎn)。例如：1985/7/臺7灣核三廠汽機葉片斷裂；1986/1/28美國挑戰(zhàn)者號航天飛機升空時爆炸；2003/1/1哥6倫比亞號發(fā)射升空，在2/1降落前爆炸；2000/7/2月5法航協(xié)和飛機在巴黎墜毀；1999/1/4重慶市綦江縣彩虹橋（96年建成）垮塌；2007/08/20華航的波音七三七客機降落日本那霸機場后左翼起火焚毀。繼續(xù)使用會造成危險或不良結(jié)果，而必須立即整修或更換。例如：澎湖跨海大橋腐蝕（1965-1970建成，1973-1996改建）；303不銹鋼可樂機龍頭含硫；汽車煞車磨損、2007/09/03中山高北上聯(lián)結(jié)車后方的3片煞車鼓突然脫落砸死人；2007/9/2中0華航空公司日本佐賀包機機腹裂痕事件。能運轉(zhuǎn)，但不能達成其預(yù)期功能。例如：榨糖輥子磨損，效率下降；鐘表不準(zhǔn)；液壓系統(tǒng)滲漏。能運轉(zhuǎn)，但價值降低，客戶無法接受。例如：紀(jì)念金幣；電子產(chǎn)品或高級精品上有銹跡；不銹鋼片表面括痕。二、損壞的現(xiàn)象：斷裂。變形（彈性或塑性）。表面破壞。例如：磨損、腐蝕。材質(zhì)變化等。例如：鎳鉻鉬鋼回火脆化、304不銹鋼敏化、鋁合金時效、塑料輻射脆化。三、損壞分析的功能與目的：找出損壞原因，判定損壞責(zé)任，在學(xué)術(shù)上增加對損壞機制與理論之了解，在實用上則可提供設(shè)計、選材、制程、操作應(yīng)用及維修保養(yǎng)之有力參考，以提升產(chǎn)品之品質(zhì)、可靠度與安全性。對各項產(chǎn)業(yè)與現(xiàn)代科技文明來說，材料損壞分析的重要性是無可取代的。四、一些損壞分析的實例:中華航空公司日本佐賀包機機腹裂痕事件鐵達尼號自由輪與T2運油輪受熱破壞的印刷電路板內(nèi)層銅與導(dǎo)通孔斷裂的印刷電路板IC接線損壞分析有內(nèi)傷的IC五、 損壞分析者應(yīng)具備的知識或基本能力：了解材料損壞分析的方法與程序。了解材料損壞的型態(tài)。脆性與延性破壞、塑變不穩(wěn)定性、破裂（fracture）與破斷（rupture）、斷裂面相學(xué)等。了解材料損壞的基本原因與損壞機制。例如：材料缺陷、材料脆化、材料弱化、應(yīng)力集中、疲勞、磨損、腐蝕、環(huán)境影響破裂（應(yīng)力蝕裂、輻射引致破裂）、腐蝕疲勞、氫破壞高溫破壞等。了解材料的特性。例如：合金成分與微結(jié)構(gòu)對材料的特性的影響、材料脆化或弱化機制、鋁合金時效、析出物缺乏區(qū)、304不銹鋼的敏化、焊道及熱影響區(qū)、不銹鋼鉻缺乏區(qū)、鎳鉻鉬鋼的回火脆化、塑料或金屬的輻射脆化等。具備力學(xué)及破裂力學(xué)基本知識。了解材料分析工具的特性。例如：非破壞檢驗（PT、MT、UT、ET、微波、X光、中子...?）；機械性質(zhì)測試（硬度、拉伸、韌性 ）；化學(xué)成份分析（EPMA、ICP-AES、AA、X光繞射、熒光分析、Auger、ESCA）顯微鏡（OM、SEM、TEM）觀察及分析微結(jié)構(gòu)分析；聚焦離子束制程技術(shù)（FocusedIonBeamFabrication）制作分析試片等。智慧與經(jīng)驗。剝繭抽絲的邏輯分析能力、明察秋毫的敏銳眼光、足夠的閱歴等。六、 損壞分析的一般步驟及注意事項：損壞分析就像偵探辦案，必須注意證據(jù)的保持維護?，F(xiàn)場的詳細(xì)記錄與機件操作經(jīng)歷資料之收集分析均為正確迅速破案之要件。損壞分析的分析步驟一般而言，需由大而小、由巨觀分析而微觀分析，現(xiàn)場與證據(jù)需加保持，破壞性的分析檢驗應(yīng)盡量放在其它分析步驟之后，最好能在控制的狀況下造成相同或類似的損壞，以確定損壞原因。以下列出一般分析步驟，其中各分析次序可能作一些更動，亦可能增加或減少一些步驟，總以不違反上述原則為準(zhǔn)。背景資料搜集?，F(xiàn)場記錄與肉眼觀察。選定標(biāo)示,保護或清潔試樣。肉眼或低倍放大觀察表面。力學(xué)分析。高倍顯微鏡觀察分析表面（OM、SEM、EPMA）。非破壞檢驗（PT、MT、UT、ET、微波、X光、中子 ）。選擇并制作分析試樣結(jié)構(gòu)（OM、TEM、X光繞射）。機械性質(zhì)測試（硬度、拉伸、軔性 ）.化學(xué)成份分析（整體、區(qū)域、表面腐蝕物、沉積物、涂裝????）（ICP-AES、AA、X光繞射、熒光分析、AugerESCA）。研判破壞機制。在控制條件下試驗，造成類似損壞，以確證損壞過程。13?分析所有證據(jù)，提出結(jié)論建議報告。七、損壞的基本原因：通常損壞是由多項因素共同作用的結(jié)果，這些基本原因包括：1?設(shè)計不良：刻痕、銳角等應(yīng)力集中因子，變更設(shè)計或提高零件使用條件不當(dāng)，設(shè)計判據(jù)不足等。2?選材不當(dāng)：僅以拉伸試驗結(jié)果選材，未考慮低溫延脆轉(zhuǎn)換、腐蝕、疲勞、高溫、磨損、氫脆等性質(zhì)。材料缺陷：鑄件中之冷斷（coldshut）、偏析（segregation）、粒間熔解或氧化、夾渣、氣孔、縮孔；鍛件中之冷折（laps）、縫（seams）、帶狀結(jié)構(gòu)（bandedstructure）、流線flowline）等。4?制程缺陷：冷加工、切割研磨、記號刻印、熱處理、焊接、放電加工等制程中常會形成一些刻痕、脫碳、殘留應(yīng)力、脆化等缺陷。5?裝配不當(dāng)：工人不小心，制程規(guī)范不當(dāng)，欠對準(zhǔn)等。6.操作條件不當(dāng)：起動、關(guān)機或維護不當(dāng)?shù)?。此外在檢驗、測試、品管、儲運時亦可能造成損壞。意外的超負(fù)荷或環(huán)境變化引起的損壞也常有。八、損壞分析的工具簡介：光學(xué)金相顯微鏡(OM).光學(xué)金相顯微鏡利用可見光源，以反射光成相，以觀察材料之顯微組織，放大倍率通常在1500X以內(nèi)。因其景深很小，被觀察試片表面需非常平整。成像通常以反射光明視野像為主，亦可利用偏極化光，相對比，干涉光，暗視野等方法達到特殊效果(圖一及圖七上)。電子顯微鏡(EM)電子顯微鏡基本上是利用一道極細(xì)的電子束作為探針，藉偵測電子與試片作用所反應(yīng)的訊號來探測試片的特性。圖二顯示電子束射到試片上所產(chǎn)生出的各式訊號。2-1穿透式電子顯微鏡(TEM)穿透式電子顯微鏡是利用穿透電子信號，入射電子能量100keV以上。電子在穿過材料晶格時會產(chǎn)生繞射，在晶格有缺陷或變化的地方，繞射的狀況也會隨之而變，因此可利用直接穿透電子成明視野像(brightfieldimage)；亦可利用任一繞射點成暗視野像(darkfieldimage)，以觀察材料內(nèi)部析出物、差排、晶界等微結(jié)構(gòu)。由繞射點花樣(diffractionpattern)則可定出結(jié)晶構(gòu)造；利用復(fù)制膜方式(replica)，如圖三所示，可以復(fù)制試片之表面以TEM觀察。2-2掃描式電子顯微鏡(SEM)掃描式電子顯微鏡是利用以20-50keV能量的電子來掃描試片，以其二次電子(SE)或反彈電子(BE)訊號成像，基本上就像人以手指觸摸物品表面，或盲人以桿掃描地面而知其表面狀況類似。除了放大倍率可至數(shù)萬倍以上，SEM的景深比OM大得多，因而特別適于斷面等粗糙表面之觀察(圖四)，因SE與BE能量不同，其在試片內(nèi)之逃出深度不同(圖五、六)因而有不同之鑒別率，二次電子能量在50eV以下，逃出深度小，鑒別率高，且因其能量低，可藉由電子探測器前方法拉弟籠(Faradaycage)上約250eV的正偏壓，吸引到不同方向的二次電子，使凹背面的影像亦可加以觀察(圖七)，因而是SEM中最常應(yīng)用成像的訊號，適用于觀察試片表面的高低(topography)。反射電子則因其數(shù)量隨試片原子序之不同而有所不同所成之像可強調(diào)各區(qū)域原子組成的差異(圖八)。2-3電子微探儀(EPMA)和SEM類似，但以探測入射電子在試片中激發(fā)的X光為主，可以分析試片上一點、一線或全面(mapping)的成份，也可以SE或BE成像。(圖九)2-4掃描歐杰電子能譜儀(SAM/ESCA)以探測及分析歐杰電子為主，歐杰電子能量約在50eV—keV,在一般材料中其逃出深度很小(圖六)，因而只有試片表面數(shù)層原子產(chǎn)生的歐杰電子會被探測到，適于作試片極表面的成份分析，配合離子槍則可逐層剝離并分析試片深度方向成份變化。原子發(fā)射光譜分析儀(AES)材料中原子被激發(fā)后，其電子躍遷回基態(tài)時會放出特性的光譜，由此可得知材料中的組成元素，用火花式激發(fā)可作固態(tài)金屬試樣的化學(xué)成份分析；電漿式發(fā)光源可做水溶液的化學(xué)成份分析。X光繞射分析利用X光繞射原理分析晶試樣，可比較分析得知試樣的結(jié)晶構(gòu)造及成份。九、材料損壞機制材料脆化：熱處理或高溫使用材料，可能造成以下各類形式的脆化：低碳鋼之應(yīng)變時效脆化低碳鋼之淬火時效脆化低碳鋼之發(fā)藍(lán)脆化合金鋼之回火脆化高強度低合金鋼之350°C脆化肥粒鐵型不銹鋼之400-500C脆化不銹鋼之相(sigmaphase)脆化石墨化(碳鋼及低合金鋼)鍍鋅鐵之金屬間化合物脆化此外金屬受環(huán)境影響，尚可發(fā)生下列各種脆化現(xiàn)象：中子脆化氫脆化應(yīng)力蝕裂液態(tài)及固態(tài)金屬脆化疲勞材料在受到反復(fù)或變化的應(yīng)力作用時,縱然此一變化之應(yīng)力遠(yuǎn)低于一次使材料斷裂所需之應(yīng)力,但經(jīng)多次反復(fù)作用以后，亦可能使材料斷裂.這種由變化性負(fù)荷所造成的斷裂稱之為疲勞斷裂。磨損磨損是材料表面與其它固體,液體或氣體相對移動而造成表面材料變形或脫落的現(xiàn)象,磨損可分為下列各類型：黏合磨損磨削磨損沖蝕磨損腐蝕磨損表面疲勞磨損移擦(fretting)沖蝕腐蝕氣泡沖蝕腐蝕腐蝕是金屬和其環(huán)境間因化學(xué)或電化學(xué)的反應(yīng)而造成的破壞，一般腐蝕現(xiàn)象可分為下列八種形式：均勻腐蝕或普遍腐蝕伽凡尼腐蝕間隙腐蝕孔蝕晶粒間腐蝕選擇性溶解沖蝕腐蝕應(yīng)力腐蝕氫破壞材料在含氫環(huán)境下,其性質(zhì)可能有下列形式的變差狀況。氫氣腫--生成氫氣泡，脹裂材料。氫脆--材料在含氫狀況下，其延性或強度變差。氫攻擊一氫和碳鋼中C結(jié)合生成CH4氣泡，延性及強度變差。生成氫化物--Ti,Ta,Zr,U,Th等會形成氫化物脆化。鋼鐵脫碳。潛變及高溫破壞在高溫下承受應(yīng)力，材料會逐漸的產(chǎn)生變形，而使其不堪使用或破壞。材料在負(fù)荷一定的情況下，隨時間而漸增的應(yīng)變即為潛變(Creep)。在高溫環(huán)境中材料還可能產(chǎn)生熱腐蝕、氧化、碳化、再結(jié)晶、晶粒成長、球化、石墨化或其它的結(jié)構(gòu)變化而破壞。電遷移破壞(electromigration,EM)半導(dǎo)體組件尺寸微小化以致流經(jīng)各導(dǎo)線的電流密度升高，在高電流密度下，由于電子將動量轉(zhuǎn)移給導(dǎo)線中金屬原子，使原子隨電子流方向與特定路徑產(chǎn)生移動。導(dǎo)線的一端因原子的