失效分析知识点Word文件下载.docx

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疲劳断裂（交变载荷）：

由于周期作用力引起的低应力破坏。

（3）表面损伤失效：

磨损：

由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；

腐蚀:

环境气氛的化学和电化学作用引起。

（4）.注：

断裂的其他分类

断裂时变形量大小：

脆性断裂、延性断裂；

裂纹走向与晶相组织的关系：

穿晶断裂、沿晶断裂；

2.失效的来源：

（1）.设计的问题：

高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；

应力计算错误；

设计判据不正确。

（2）.选择材料上的问题：

选择材料判据有误、材料中存在缺陷。

（3）.加工制造及装配中存在的问题：

加工方法不对、不文明施工等。

（4）.不合理的服役条件。

二.应力集中与零件失效

1.应力集中：

零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中；

2.应力集中系数：

表示应力集中程度大小的系数称为应力集中系数。

3.NSR（材料的缺口敏感性）：

缺口试样强度与光滑试样强度的比值表示材料的缺口敏感性。

4.影响应力集中与断裂失效的因素

（1）材料力学性能的影响。

一般，材料硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中越强烈，裂纹扩展速率也越大。

（2）零件几何形状的影响。

许多零件，由于结构上的需要和设计上的不合理，在结构上有尖锐的凸边、沟槽或缺口等，当其在加工或使用过程中，将在这些尖锐部位产生很大的应力集中而导致开裂。

（3）零件应力状态的影响：

当材料的质量合格，几何形状合理的情况下，裂纹起源的部位主要受零件应力状态的影响，此时，裂纹将在最大应力处形成。

（4）加工缺陷的影响：

加工缺陷的存在，在缺陷处造成应力集中，导致零件开裂。

（5）装配、检验产生缺陷的影响：

即装配和检验过程中没有严格按照操作规范从而导致零件产生缺陷，在这些缺陷部位产生应力集中，导致开裂。

5.降低应力集中的措施

（1）从强化材料方面降低应力集中的作用（强化材料局部地区即应力集中处的疲劳强度，从而降低应力集中的危害）：

表面热处理强化、薄壳淬火、喷丸强化、滚压强化；

（2）从设计方面降低应力集中系数。

变截面部位的过渡：

尽可能加大过渡部分的圆角，使过渡区接近于流线型；

根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位：

孔一般应开在低应力区，如必须开在高应力区，则应采取补强措施；

在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔。

三.残余应力与零件失效

1.内应力：

材料在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力称为内应力。

2.残余应力（第一类内应力，宏观应力）：

存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上；

残余压应力能够提高零件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力；

残余拉应力总是有害的，降低零件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力等。

3.微观应力：

第二类内应力（晶粒尺寸大小范围）、第三类内应力（原子尺寸大小范围）。

4.残余应力的产生：

（1）热处理残余应力：

由热应力和组织应力叠加的结果；

（2）表面化学热处理引起的残余应力

（3）焊接残余应力：

是在焊缝及其附近由于焊接的热应力、组织应力和拘束应力共同作用而产生的。

形成原因：

直接应力，不均匀加热的后果，这是主要原因；

间接应力：

这是焊前加工状况所造成的应力；

组织应力：

这是由于组织变化而产生的应力。

（4）铸造残余应力：

在构件界面内保持平衡而存在的残余应力0；

构件间相互保持平衡的残余应力；

由于铸造型砂的阻力而产生的残余应力；

铸件成分的影响；

（5）涂镀层引起的残余应力。

电镀时产生的残余应力，是指在基体金属上逐层电沉积上去的镀覆部分的残余应力。

（6）切削加工残余应力。

金属材料在进行切削（磨削）加工时，在加工过程中与工具相接触部分的附近要产生塑性变形。

5.残余应力的影响：

（1）对静强度的影响

（2）对硬度的影响

（3）对疲劳强度的影响

（4）对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响：

对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的。

6.消除和调整残余应力的方法：

热作用法和机械法

（1）去应力退火：

是消除焊接残余应力、铸造残余应力、机加工残余应力最常用和最有效的方法之一。

一般的退火是把构件在较高温度下保温一段时间，然后再进行缓冷的一种工艺方法。

（2）回火或自然时效处理：

随着回火温度升高，残余应力去除的部位显著增大，当回火温度达到450摄氏度及以上时，可认为残余应力已经完全消除。

对于一些铸件可采用自然时效的方法消除残余应力。

（3）机械法（加静载或动载）：

加静载使有残余应力的部位发生屈服而使残余应力松弛。

加动载可消除残余应力。

（4）火焰烘烤法

四材料的韧性与断裂设计

1.低应力脆断及材料的韧性

（1）各种脆断的共同点：

通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的；

脆断通常发生在比较低的温度下；

脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处，如缺口、裂纹、夹杂等；

厚截面、高应变速率促进脆断。

五应力分析与失效分析

1.材料的失效形式大致可分为三种：

2.

（1）脆断：

断裂前无宏观塑性变形（如铸铁拉伸、扭转）

（2）剪断：

沿最大剪应力方向发生的断裂。

例如铸铁在压缩和硬铝在拉伸时，大约沿45度方向剪断。

（3）屈服：

经过一定的塑性变形后方发生的断裂。

例如低碳钢拉伸、扭转和压缩时，都有很大的塑性变形。

注：

不同的材料在受力相同的情况下可能出现不同的失效形式，塑性材料一般会出现塑性变e形，而脆性材料一般会出现脆性断裂。

同一种材料在不同的受力状况下也会有不同的失效形式，这一点在失效分析中要引起重视。

第三章失效分析基本方法

一.失效分析的思路及方法

1.失效分析遵守基本原则：

（1）整体观念原则

（2）从现象到本质的原则

（3）动态原则

（4）一分为二原则（两分法原则）

（5）纵横交汇原则（立体性原则）

二.失效分析的程序及步骤

1.失效分析的步骤

（1）现场调查

（2）搜集背景资料

（3）技术参量复验

（4）深入分析研究

（5）综合分析归纳，推理判断提出初步结论

（6）重现性试验或证明试验

（7）撰写失效分析报告

三.断口分析：

断裂是机械产品工程事故中较为多见且危害最大的失效形式。

任何断裂在断后的断面上总要留下一些反映断裂过程及断裂机制的痕迹。

这些痕迹有时能够非常清楚地、详细而完整的记录下构件在断裂前及断裂过程中的许多细节，从而有助于断裂原因的确定及预防措施的提出。

因此，断裂件的断口分析是断裂失效分析的主要内容。

1.断口处理方法及断口分析的任务（书P81）

2.断口的宏观分析：

是指用肉眼或放大倍数一般不超过30倍的放大镜及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。

在失效现场进行的断口宏观分析，具有简便、迅速和观察范围大等优点。

（1）最初断裂件的宏观判断（分析的对象不是一个具体的零件，而是一个复杂的大型机组或是一组同类零件中的多个发生断裂，需要确定最初断裂件。

）

①整机残骸的失效分析：

无论何种机械装备的失效，都不可能是全部零件的同时损坏，相反，往往是个别零件的损坏导致的整机损坏；

②多个同类零件损坏的失效分析：

一组同类零件的几个或全部发生损坏时，要判明事故原因需确定哪一个件先坏，这类分析也应采用顺序分析法；

③同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析。

（2）主断面（主裂纹）的宏观判断：

最初断裂件找到后，紧接着的任务就是确定该断裂件的主断面或主裂纹，所谓主断面就是最先开裂的断裂面。

寻找主断面方法：

①利用碎片拼凑法确定主断面（密合程度好的为后断的，密合程度最差的断面为最先开裂的断面，即主断面）；

②按照“T”形汇合法确定主断面或主裂纹；

③按照裂纹的河流花样（分叉）确定主裂纹。

（3）断裂（裂纹）源区的宏观判断

①根据不同断裂的特征确定裂纹源区：

不同断裂都有不同或相应的特征，按照这些特征来确定断裂源是断口分析中最直接、最可靠的方法。

总之，不同断裂类型，在断口上都可以观察到典型的特征形貌。

②将断开的零件的两部分相匹配：

裂缝的最宽处为裂纹源区‘

③根据断口上的色彩程度确定裂纹源区：

主要是观察断口上有无有别于金属本色的氧化色、锈蚀及其他腐蚀色彩等特征，并依此确定裂纹源区的宏观位置。

④断口的边缘情况：

观察断口的边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和宏观塑性变形等，将有助于分析裂纹源区的位置、裂纹扩展方向及断裂的性质等问题。

3.断口的微观分析

（1）断口微观分析的内容与方法：

①断口产物分析。

在特殊的介质环境下或高温场合断裂的构件，其断口上常有残存的与环境因素相对应的特殊产物，而这些产物的分析对于致断原因的分析，是至关重要的。

断口产物分析又分为成分分析和相结构分析两个方面。

②断口的微观形貌分析。

工具主要是电子显微镜，即透射电镜及扫描电镜。

（2）解理断裂

①定义：

是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂。

②特点：

解理初裂纹起源于晶界、亚晶界或相界面，并严格沿着金属的结晶学平面扩展，其断裂单元为一个晶粒尺寸。

③微观形貌特征及断裂性质：

微观形貌特征主要是河流花样和解理台阶，由这些特征确定是否为解理断裂。

第四章静载荷作用下的断裂失效分析

一过载断裂失效分析

1.过载断裂失效的定义：

当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。

2.取决因素：

真实应力、有效尺寸。

3.过载断裂失效断口的一般特征：

通常显示一次加载断裂的特征，宏观断口与拉伸实验断口极为相似。

（1）对于宏观塑性的过载断裂失效来说，其断口一般可看到三个特征区：

纤维区、放射区、剪切唇。

称为断口的三要素。

①纤维区：

位于断裂的起始部位，裂纹的形成核心位于此区；

②放射区：

裂纹的快速扩展区，放射条纹状，或人字纹；

③剪切唇：

最后断裂区

（2）对于宏观脆性的过载断裂失效来说断口特征有两种情况：

①拉伸脆性材料：

脆性断口，结晶状，无三要素特征。

②拉伸塑性材料：

纤维区很小，放射区占有极大比例，周边几乎不出现剪切唇。

4.影响过载断裂失效特征的因素

（1）材料性质的影响

（2）零件形状与几何尺寸的影响：

零件的几何形状与结构特点对过载断裂，特别是对宏观塑性过载断裂的断口特征会产生一定的影响。

①圆形试件

②矩形试件

③几何尺寸的影

（3）载荷性质的影响

（4）环境因素的影响

5.扭转和弯曲过载断裂断口特征

（1）扭转过载断裂断口特征.

第五章疲劳断裂失效分析

一．疲劳断裂失效的基本形式和特征

1.疲劳段列形式：

切断疲劳和正段疲劳

2.特征：

（1）疲劳断裂的突发性

（2）疲劳断裂应力很低

（3）疲劳断裂是一个损伤积累的过程

（4）疲劳断裂对材料缺陷的敏感性

（5）疲劳断裂断裂对腐蚀介质的敏感性

二.疲劳断口形貌及其特征

1.疲劳断口的宏观特征

3.疲劳断口的微观形貌特征

（1）疲劳断口的微观形貌特征是在电子显微镜下观察到的条状花样，通常称为疲劳条痕、疲劳条带、疲劳辉纹等。

三.疲劳断裂失效类型与鉴别

1.机械疲劳断裂

（1）高周疲劳断裂：

多数情况下，零件的光滑表面上发生高周疲劳断裂断口上只有一个或有限个疲劳源。

只有在零件对策应力集中处或在较高水平的循环应力下发生的断裂，才出现多个疲劳源。

高周疲劳断口的基本特征是细小的疲劳辉纹。

（2）低周疲劳断裂：

宏观断口上存在多疲劳源是低周疲劳的特征之一；

微观基本特征是粗大的疲劳辉纹或粗大的疲劳辉纹与微孔花样。

（3）振动疲劳（微振疲劳）断裂：

由往复的机械运动引起的断裂称为振动疲劳断裂。

共振疲劳断裂是是机械设备振动疲劳断裂的主要形式。

（4）接触疲劳：

材料表面在较高的接触压应力作用下，经过多次应力循环，其接触面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，最后导致构件失效的现象，称之为接触疲劳，也称为接触疲劳磨损或磨损疲劳。

接触面上的麻点、凹坑和局部剥落是接触疲劳的典型宏观形态。

影响因素有应力条件、材料的成分、组织结构、冶金质量、力学性能、及其匹配关系。

采用表面强化工艺均可提高其接触疲劳抗力。

2.腐蚀疲劳断裂：

金属零件在交变应力和腐蚀介质的共同作用下导致的断裂，称为腐蚀疲劳断裂。

（1）腐蚀疲劳破坏机制

（2）腐蚀疲劳破坏特点：

腐蚀疲劳不需要特定的腐蚀系统；

任何金属材料均可能发生腐蚀疲劳；

材料的腐蚀疲劳不存在疲劳极限；

腐蚀疲劳初裂纹的扩展受应力循环周次的控制，不循环时应力不扩展；

（3）腐蚀疲劳断裂的断口特征：

兼有机械疲劳和和腐蚀断口的双重特征。

3.热疲劳断裂失效

（1）定义：

金属材料由于温度梯度循环引起的热应力循环，而产生的疲劳破坏现象，称为热疲劳破坏。

（2）特征：

（3）影响因素：

四.疲劳断裂失效的原因及预防

1.原因：

（1）零件的结构形状不合理；

（2）表面状态不良；

（3）组织状态不良；

（4）装配与联结效应；

（5）环境因素的变化；

（6）载荷频谱。

2.预防措施

（1）延缓疲劳裂纹萌生的时间；

（2）降低疲劳裂纹的扩展速率；

（3）提高疲劳裂纹门槛值的长度；

第六章磨损与腐蚀失效分析

一.磨损失效分析

1.磨损定义：

当相互接触的零件表面有相对运动时，表面的材料粒子由于机械的、物理和化学的作用而脱离母体，使零件的形状、尺寸或重量发生变化的过程称之为磨损。

2.磨损失效：

机械零件因磨损导致尺寸减小和表面状态改变，并最终丧失其功能的现象称为磨损。

3.磨损与断裂、腐蚀并称为金属失效的三种形式。

4.磨损失效分析步骤：

（1）现场调查及宏观分析；

（2）测量磨损失效情况；

（3）检查润滑情况及润滑剂的质量；

（4）摩擦副材质的检查；

（5）进行必要的模拟试验；

（6）确定磨损机制。

5.磨损失效分析的内容

（1）磨损表面形貌分析；

（2）磨损亚表层分析；

（3）磨屑分析。

6.六种主要磨损失效：

（1）粘着磨损；

（2）磨料磨损；

（3）疲劳磨损；

（4）腐蚀磨损；

（5）冲蚀磨损；

（6）微动磨损。

7.磨损失效预防措施

（1）改进结构设计及制造工艺；

（2）改进使用条件，提高维护质量；

（3）选择合理的工艺措施；

（4）选择适合工况的材料；

（5）表面处理；

I二腐蚀失效分析

1.腐蚀：

金属与环境介质发生化学或电化学作用，导致金属的损坏或变质。

2.腐蚀失效形式：

3.腐蚀失效分类：

作用性质分为化学腐蚀与电化学腐蚀；

腐蚀分布形态分为全面腐蚀与局部腐蚀。

4.腐蚀失效的基本类型：

点腐蚀失效、缝隙腐蚀失效、晶间腐蚀失效、接触腐蚀失效、空泡腐蚀失效、磨耗腐蚀失效、应力腐蚀失效。

第七章金属构件加工缺陷与失效

一.铸造加工缺陷与失效

1.金属构件的我主要加工方法有：

铸造、锻压、焊接、切削加工、热处理。

2.常见铸造加工缺陷及形貌

（1）.冷隔：

由两股未能相互融合的金属液流汇合所形成的不规则线性缺陷；

（2）.气孔：

金属在融容状态溶解大量气体，在冷凝过程中，绝大部分气体逸出，残余的少量气体则在金属构件内部形成气孔或称为气泡；

（3）针孔：

溶解与合金液中的气体在凝固过程中析出时，因某种原因而残留在铸件中形成的针状孔洞；

（4）缩孔：

由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞。

（5）疏松：

铸件组织不致密，存在着细小且分散的孔穴称为疏松；

（6）夹杂物：

夹杂物是固态金属基体内的非金属物质；

（7）偏析：

合金在冷凝过程中，由于某些因素导致的化学成分不一致称为偏析；

区域偏析、重力偏析、枝晶偏析。

（8）热裂纹：

金属完全凝固前，在固相线附近的液固共存区，由于收缩受阻而形成的裂纹；

（9）冷裂纹：

金属完全凝固之后，由于冷却时所形成的热应力，组织应力及搬运、清理、校正时的热振作用而产生。

二锻造加工缺陷与失效

1.折叠：

锻件一部分表面金属折入锻件内部，使金属形成重叠层缺陷，称为折叠；

2.分层：

锻件金属局部不连续而分隔为两层或多层称为分层；

三焊接加工缺陷与失效

1.焊接裂纹：

指焊件在焊接或焊后的退火、存放、装配及使用过程中产生的各种裂纹，它是焊接缺陷和焊接应力共同作用的结果。

四热处理缺陷与失效

五金属零件冷加工缺陷与失效

第八章实际构件失效分析实例