夹杂物
硫化物常沿变形方向拉长；氧化物和铝酸盐多呈硬质点状或链状，对疲劳更为不利；氮化物多呈棱角状。
金相分析回答哪些问题
在失效分析中，金相分析的任务不是给材料做一次常规体检，而是带着问题去看截面。断口和外观检查提出假设之后，金相要回答：起源处的组织和缺陷是否与假设相符，失效部位与正常部位的组织是否不同，裂纹的路径能否说明它形成于制造阶段还是使用阶段。因此，金相检验项目要根据失效形式来选，而不是照单全做。
- 组织是否符合预期的热处理状态，例如淬火是否充分、回火是否到位、有无过热或过烧。
- 晶粒大小是否均匀，有无粗晶或混晶。
- 非金属夹杂物的类型、数量和分布，起源处有无大尺寸夹杂物。
- 表层状态：脱碳层、渗碳层、渗氮层、感应淬硬层、磨削烧伤层、镀层或涂层的深度和质量。
- 铸造、锻造和焊接缺陷：缩松、气孔、折叠、未熔合、热裂纹等。
- 裂纹的走向和形态：穿晶或沿晶、是否分枝、裂纹内有无氧化物或腐蚀产物、两侧有无脱碳。
- 腐蚀形态：蚀坑截面形状和深度、晶间腐蚀深度、选择性腐蚀范围。
- 服役中发生的组织变化，例如长期高温下的珠光体球化和碳化物粗化。
取样位置与截面方向
取样位置要在断口分析和无损检测之后确定。最有价值的截面通常是穿过起源、垂直于断面的那一个，它能同时显示起源处的表层、组织、缺陷和初始裂纹路径。仅有一个截面往往不够，还需要在远离失效区的部位取基准样，在同批次正常件的相同部位取对比样，才能判断失效部位的组织是原本如此，还是局部异常。
截面方向同样影响结论。轧制和锻造材料中的夹杂物、带状组织和流线沿变形方向拉长，在纵截面上看得最清楚，在横截面上只是一些点；而表面层深度、晶粒度和环状脱碳更适合在横截面上测量。对很薄的表层，可以采用与表面成小角度的斜截面，把薄层在视野中放大，便于观察。
| 取样部位 | 主要目的 | 注意事项 |
|---|---|---|
| 穿过起源、垂直于断面的截面 | 看起源处的组织、表层、缺陷和初始裂纹路径 | 切割前在断口上标出起源，切割面要准确穿过起源 |
| 二次裂纹或裂纹尖端 | 判断裂纹走向、分枝和裂纹内填充物 | 未断开的裂纹保留了更完整的路径，比主断口更干净 |
| 远离失效区的基体 | 作为本零件的基准组织和硬度 | 要选在受力和受热明显较小的部位 |
| 同批次正常件的相同部位 | 区分批次性问题和个别异常 | 对比件的取样位置和方向要与失效件一致 |
| 纵截面 | 观察夹杂物形态、带状组织、锻造流线和折叠 | 确认原材料的变形方向 |
| 横截面 | 测量渗层、脱碳层和晶粒度，观察环状缺陷 | 注意圆角、齿根等关键部位，不只测平面处 |
| 焊接接头横截面 | 观察焊缝、熔合线和热影响区的组织与缺陷 | 截面应垂直于焊缝方向，覆盖两侧母材 |
制样与观察顺序
金相制样本身会改变样品，制样不当带来的假象很容易被误当作失效证据。切割过热会使淬硬层回火甚至再次淬火；热镶嵌时的加热可能改变焊料、低温回火件等对温度敏感的材料，这类样品应当冷镶；边缘倒圆会让表层和表面裂纹在视野里消失；硬质夹杂物在抛光时剥落，留下的凹坑像气孔；石墨、硫化物等软相或易蚀相可能被抛掉或被浸蚀掉；浸蚀过度会使晶界变宽，看起来像晶间腐蚀。判断时要考虑这些可能，必要时重新制样复核。
- 切割在关注区之外下刀，充分冷却，留出足够的磨削余量，避免切割热影响到观察面。
- 镶嵌需要保护边缘时镶嵌，选用保边效果好的材料；对温度敏感的样品采用冷镶。
- 磨制与抛光逐级磨制，每一级去除上一级的损伤层，抛光到无划痕、无拖尾，边缘保持平整。
- 抛光态观察浸蚀前先观察夹杂物、裂纹、孔洞、石墨和腐蚀形貌，这些特征在浸蚀后可能被掩盖。
- 浸蚀根据材料和目的选择浸蚀方法；显示组织、原奥氏体晶界、偏析或不锈钢敏化，需要不同的浸蚀剂和条件。
- 观察与记录由低倍到高倍观察，照片附标尺并注明位置，与基准样和对比样在相同条件下比较。
组织与热处理状态的识别
组织识别要结合材料牌号、技术要求和工艺记录进行。同一种组织在不同零件中的意义可能完全不同：渗碳齿轮心部的少量铁素体可能是允许的，高强度螺栓中的铁素体则往往说明淬火不充分。下表列出失效分析中常遇到的组织问题，判断时还要与硬度和力学性能相互核对。
| 观察到的组织特征 | 通常提示 | 常见误读 |
|---|---|---|
| 淬火回火钢中出现铁素体、上贝氏体或托氏体 | 淬火冷却不足，或零件截面超出材料的淬透能力 | 只看表层就下结论，未观察心部和不同截面 |
| 马氏体针粗大、晶粒粗大 | 淬火加热温度过高或保温过长 | 与原材料粗晶或焊接粗晶区混淆 |
| 晶界氧化、熔化痕迹，铝合金中出现复熔球和晶界三角 | 加热温度过高造成过烧，通常不可挽救 | 把过度浸蚀造成的晶界加宽当作过烧 |
| 魏氏组织 | 过热后冷却，韧性下降 | 不区分出现在锻件、焊缝还是热影响区 |
| 铁素体与珠光体成层分布的带状组织 | 成分偏析经轧制形成，造成性能各向异性 | 在横截面上观察而漏判 |
| 珠光体球化、碳化物粗化或沿晶界聚集 | 长期在较高温度下服役导致组织劣化 | 未与零件未受热部位对比，误当原始状态 |
| 渗层中残余奥氏体偏多、网状碳化物 | 渗碳碳势或淬火工艺控制不当，影响硬度、尺寸稳定性和韧性 | 只测表面硬度而不看组织 |
| 不锈钢晶界碳化物连续析出、出现 σ 相 | 敏化或在特定温度区间长时间停留 | 未用合适的浸蚀方法而漏判，或把普通晶界当成敏化 |
| 铸铁石墨球化不良、出现片状或蠕虫状石墨、白口 | 孕育或球化处理不良，冷却过快 | 只看局部视场，不评估整体分布 |
| 焊接热影响区出现淬硬马氏体 | 焊前预热或焊后热处理不足，冷裂倾向增大 | 不测热影响区硬度而仅凭组织判断 |
夹杂物、脱碳层与表面硬化层
夹杂物评级通常按相关标准的对比图进行，反映的是材料的总体洁净程度。但对疲劳失效来说，更重要的往往是起源处那一个夹杂物的类型、尺寸和位置。一批评级合格的材料，也可能恰好在高应力的表层下有一颗大尺寸硬质夹杂物成为起源；反过来，评级偏高的材料，若夹杂物不在高应力区，也未必是失效原因。夹杂物类型在光学显微镜下只能初步判断，需要用能谱确认成分。
表面层的问题对疲劳、磨损和接触疲劳影响很大，测量时要选在失效相关的部位。渗碳和感应淬火齿轮要测齿根和节圆附近，轴类要测圆角和键槽根部，不能只测平坦处。金相法看到的层深和显微硬度梯度法测得的有效硬化层深度是两个不同的概念，报告中要写明用的是哪一种。
脱碳层
表层铁素体增多或成为全铁素体，硬度下降，疲劳和耐磨性降低；全脱碳层和部分脱碳层要分别记录。
裂纹两侧脱碳
说明裂纹在高温加热时已经存在，常指向原材料缺陷、锻造裂纹或热处理前已有的裂纹。
渗碳与渗氮层
关注层深、表面组织、网状碳化物、内氧化，以及渗氮化合物层厚薄和脉状氮化物。
磨削烧伤
截面上可见浸蚀后颜色不同的过回火层，严重时表面出现未回火的二次淬火层，下方为软化层。
显微硬度
可以测单个相、薄层和硬度梯度，区分心部、表层、热影响区和烧伤层；硬度换算强度只能作为近似参考。
裂纹走向与形态怎么读
截面上的裂纹形态，是区分失效机理的有力证据，尤其适用于断口已经严重锈蚀或磨损的零件。观察时要看裂纹的起点、主干、分枝和尖端，看它与组织的关系，以及裂纹内部和两侧的状态。尖端最能反映裂纹扩展时的真实路径，制样时要设法把尖端保留在观察面内。
| 裂纹形态 | 通常指向 | 判读时注意 |
|---|---|---|
| 穿晶、较平直、分枝少，尖端细 | 疲劳裂纹 | 腐蚀疲劳也可穿晶，需查看起点有无蚀坑和腐蚀产物 |
| 穿晶、分枝多，呈树枝状 | 奥氏体不锈钢在氯化物环境中的应力腐蚀 | 与机械疲劳的区别在于分枝程度和产物 |
| 沿晶、分枝明显 | 沿晶应力腐蚀，例如敏化不锈钢或含氨环境中的黄铜 | 要结合介质和材料状态，排除过烧等冶金因素 |
| 沿晶、分枝较少，无明显腐蚀产物 | 氢致开裂或回火脆化 | 需要结合强度水平、氢来源、热处理记录和断口形貌判断 |
| 多沿原奥氏体晶界、刚直、两侧无脱碳 | 淬火裂纹 | 若曾经回火，裂纹面可有氧化色，与服役裂纹的区分要看起点和工艺记录 |
| 裂纹内充满氧化物，两侧脱碳 | 高温下已存在的裂纹，如锻造裂纹、原材料折叠或过烧开裂 | 注意与服役中高温氧化填充的裂纹区分 |
| 楔形、内充氧化物、多条平行或网状 | 热疲劳 | 裂纹常起于表面氧化层，尖端较钝 |
| 晶界上分布孔洞并连成链 | 高温蠕变损伤 | 要与制样中晶界夹杂物剥落区分，必要时重新制样 |
| 表层网状或垂直于磨削方向的细浅裂纹 | 磨削裂纹 | 常伴有烧伤组织，裂纹通常较浅，多局限在受磨削热影响的表层 |
| 焊缝中心或熔合线附近的沿晶裂纹 | 焊接热裂纹 | 冷裂纹多在热影响区粗晶区，可穿晶或沿晶 |
裂纹形态只是一项证据，同一形态可能对应几种机理，最终结论要结合断口、成分、硬度和使用环境共同判断。
局限与常见误判
金相分析的结论受截面数量和位置的限制，一个截面看不到的东西不等于不存在。它也不能直接给出化学成分、残余应力和断口的微观形貌，这些需要其他方法补充。以下误判在实际工作中较为常见。
| 常见误判 | 原因 | 如何避免 |
|---|---|---|
| 把夹杂物剥落坑当作气孔或缩松 | 硬质颗粒在抛光时脱落 | 观察坑壁形态，必要时重新制样或用能谱检查残留物 |
| 把过度浸蚀当作晶间腐蚀或过烧 | 浸蚀时间过长或浸蚀剂过强使晶界加宽 | 先在抛光态观察，采用较轻的浸蚀并与基准样对比 |
| 脱碳层或渗层测得偏浅 | 边缘倒圆，或截面未垂直于表面 | 镶嵌保边，确认截面方向，避开倒角处测量 |
| 把切割热影响当作原始组织 | 切割冷却不足，观察面受热回火或再淬火 | 充分冷却，留足磨削余量，在离切割面较远处观察 |
| 用远离起源的组织代表起源处 | 取样只取了方便切割的部位 | 截面必须穿过起源，并与基准样对比 |
| 只凭形态判断夹杂物类型 | 不同类型夹杂物在光学显微镜下可能相似 | 用能谱确认成分 |
| 看到某种组织就判定不合格 | 脱离零件的技术要求和受力部位 | 对照技术要求和同批次正常件判断 |
| 把服役中的组织变化当作原始缺陷 | 长期受热会使组织逐渐劣化 | 对比零件受热部位与非受热部位 |
在失效分析流程中的位置
金相分析通常安排在外观、无损检测和断口观察之后。它是破坏性的，截面一旦切开，原有的几何关系和部分证据就无法恢复，因此要在断口信息充分记录、取样方案确定之后才动刀。在流程中，金相常与化学成分分析、硬度测试和扫描电镜能谱分析配合：成分分析回答材料对不对，金相回答组织和工艺对不对，硬度把组织状态与性能联系起来，能谱确认夹杂物、析出相和裂纹内产物是什么。
金相结论还要放回零件的受力和使用条件中检验。例如截面上发现表层脱碳，只有当它位于高应力部位、并且与疲劳起源的位置吻合时，才能被认为是促成失效的因素；发现组织异常，也要判断它是否足以解释观察到的失效形式，以及同批次零件是否同样存在。这样得到的结论，才能直接指导工艺整改和批次排查。
北京与杭州的分工
北京团队负责现场调查、振动相关测试和综合分析；需要实验室仪器分析的部分，可由集团杭州实验室承接。具体由哪个实验室完成哪些项目、报告是否带 CMA、CNAS 标志，在方案和报价中写明。
常见问题
金相分析一定要把零件切开吗？
常规金相需要切取截面。对不允许破坏的零件，可在表面局部磨抛后做现场金相或制作复型，但只能观察表层组织，无法看到内部和裂纹截面，结论范围也相应有限。
金相分析能判断材料牌号吗？
不能单独判断。金相可以看出组织是否与某类钢或合金相符，但牌号需要化学成分分析确认。组织相同的材料可能成分不同，成分相同的材料也会因热处理不同而组织不同。
夹杂物评级合格，为什么断口起源还是夹杂物？
评级反映的是总体洁净度，不排除个别大尺寸夹杂物恰好位于高应力的表层或次表层。疲劳起源取决于局部的夹杂物尺寸、位置和应力，而不只取决于平均水平。
怎么从金相判断裂纹是热处理产生的还是使用中产生的？
主要看裂纹走向、裂纹面和两侧状态：淬火裂纹多沿晶、刚直，若经过回火可有氧化色；裂纹两侧脱碳说明在高温加热时已存在；使用中的疲劳裂纹多穿晶。还需结合起点位置和工艺记录。
只取一个截面够不够？
通常不够。至少需要穿过起源的截面和远离失效区的基准截面，必要时增加对比件和不同方向的截面。一个截面只代表一个平面，可能恰好错过关键缺陷。