《材料失效分析》实验教案上要点上课讲义文档格式.docx
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每个实验均应写实验报告。
按统一格式，采用统一封面和报告纸。
实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。
四、其它要求
实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。
五、教材和参考资料
1教材：
《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.
2．参考资料：
[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..
[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.
[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.
[4]《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.
[5]《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.
金相分析技术的重要性在于：
（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；
（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因
【1】实验的目的和要求
1）目的
通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。
2）要求
要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。
能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。
【2】实验内容或原理
在失效件上切片，制备相关金相试样。
金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。
一、材料失效分析方法分类
一）相关性分析的思路及方法
一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。
1.按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法
（1）审查设计如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。
（2）材料分析材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。
（3）加工制造缺陷分析铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。
（4）使用及维护情况分析超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。
2.根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法
这是较为常用的分析方法。
一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。
3.“四M”分析思路及方法
所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。
对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。
依此分别进行如下四方面的分析工作。
（1）操作人员情况的分析如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。
（2）环境情况的分析主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。
温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。
（3）设备情况的分析主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。
（4）管理情况的分析如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。
二）系统工程的分析思路及方法
失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。
失效系统工程分析法主要类型：
（1）故障树分析法（简称FTA法）
（2）特征—因素图分析法
（3）事件时序树分析法（简称ETA法）
（4）故障率预测法
（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）
（6）模糊数学分析法
三）数理统计分析思路及方法
相关性：
二、失效分析的一般程序
机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。
一般说来，大体上包括：
1）调查失效事件的现场，
2）收集背景材料，
3）深入研究分析，
4）综合归纳所有信息并提出初步结论，
5）重现性试验或证明试验，
6）确定失效原因并提出建议措施，
7）写出分析报告等内容。
三、失效分析的步骤
l、现场调查
（1）保护现场
（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程
（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。
（4）选取进一步分析的试样，。
（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。
（6）写出现场调查报告。
2、收集背景材料
（1）设备的自然情况
（2）设备的运行记录
（3）设备的维修历史情况
（4）设备的失效历史情况
（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书
（6）材料选择及其依据
（7）设备主要零部件的生产流程
（8）质量检验报告及有关的规范和标准
3、技术参量复验
（1）材料的化学成分
（2）材料的金相组织及硬度
（3）常规力学性能
（4）主要零部件的几何参量及装配间隙
4、深入分析研究
（1）失效产品的直观检查（变形。
损伤情况，裂纹扩展，断裂源）
（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）
（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等）
（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）
（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）
（6）相结构分析（X射线衍射法）
（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核
5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论
根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。
6．重现性试验或证明试验
重大事件：
7．撰写失效分析报告
失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。
失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。
机械产品的失效分析报告通常应包括的内容
（1）概述首先介绍失效事件的自然情况：
事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；
受何部门或单位的委拓；
分析的目的及要求；
参加分析人员情况；
起止时间等。
（2）失效事件的调查结果简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。
当时的环境条件及工况条件；
当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。
（3）分析结果为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。
对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。
（4）问题讨论必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。
（5）结论与建议结论要准确，建议要具体、切实可行。
写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。
四、国际上比较公认的分析程序
材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。
以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。
这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。
Brooks失效分析程序说明如下：
（一）失效情况的描述
以技术文件的形式记述失效的历史情况。
如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。
特别是有关的照片资料和多媒体资料。
（二）裸眼观察
失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。
（三）机械设计分析（应力分析）
当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。
这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。
（四）化学成分设计分析
据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。
（五）制造过程及其各工艺环节分析
错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。
（六）宏观断口形貌检查
在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。
（实验二）
（七）微观断口分析
包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。
通常都是采用电子显微镜分析。
（实验三）
（八）金相检验
金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。
（实验一）
（九）性能检验
性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。
在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。
（十）失效分析
模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。
这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。
五、金相分析技术的应用
1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷
2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因
六、金相分析用设备
1、光学显微镜观察
在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为15×
15×
15mm。
将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4％HNO3＋C2H5OH溶液（此为镁合金，不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVARMET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。
2、扫描电子显微镜观察
铸态、固溶态、挤压态合金的第二相的形态及其在基体中的分布通过Sirion200场发射扫描电镜上进行观察，对合金相的组成进行能谱（EDX）分析，并观察拉伸试样的断口形貌。
3、透射电镜观察
用水磨砂纸和金相砂纸对铸态、固溶态、挤压态合金的透射电镜试样进行机械减薄到70μm左右，再分别冲裁成直径为Φ3mm的圆片用于离子减薄，离子减薄在Gantan691型离子减薄仪上进行，其减薄时的工作条件为：
轰击电压为4~5kV，电流为0.3-0.4mA，入射角为6°
-8°
。
在TECNAIG220型透射电镜上进行观察分析，加速电压为200kV。
通过透射电镜主要观察合金晶粒形态、晶内及晶界处位错组态、亚晶、亚晶内位错、位错密度，合金第二相形态及其分布等等。
七、案例分析
1、钢铁合金
1）相图
2）灰铸铁缸体断裂失效分析
3）灰铸铁轮毂的失效分析
2、铝合金
2）低压铸造铝合金轮毂内部缺陷探讨
3）高强度高耐磨性铝硅合金的实验研究
3、镁合金
1）相图2）金相图片分析
思考题：
1、说明金相分析法在材料失效分析中的意义。
2、分析低碳钢（20）、中碳钢（45）、高碳钢（T10）的平衡组织结构，分析其对合金性能的影响。
3、以铝硅合金为例，从成分、组织和性能的关系出发，分析如何提高铝合金的强度？
宏观分析主要用于分析断口形貌。
断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。
断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力间的关系。
断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。
通过宏观分析法，让学生了解宏观分析法在材料失效分析中的重要作用。
了解各种失效产品在进行分析时其宏观特征。
要求学生在熟悉和巩固各种材料如钢、铁、铝、镁等合金的制备工艺特点的基础上，结合具体失效产品，分析其宏观特征。
轴、齿轮的失效分析。
腐蚀构件的失效分析。
磨损件的失效分析。
可用于实例分析的构件有：
柴油机曲轴断裂分析、扭力轴断裂分析、工、模具断裂分析、旋转弯曲曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、铝合金/镁合金零件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。
一、分析方法
（一）失效情况的描述
（二）裸眼观察
（四）化学成分设计分析
（七）微观断口分析
（八）金相检验
（九）性能检验
（十）失效分析
二、宏观分析方法
根据《机械工程材料测试手册》，按国家标准《钢材断口检验方法》和《碳素钢和低合金钢断口检验方法》规定,已经纳入上述标准的断口有:
（1）纤维状断口,
（2）瓷状断口,（3）结晶状断口,（4）台状断口...
一）断口处理及断口分析的任务
断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。
断口分析包括宏观分析和微观分析两个方面。
宏观分析主要用于分析断口形貌。
微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。
在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。
断裂的基本分类
1）延性断裂与脆性断裂
断裂前如有宏观塑性变形——延性断裂
断裂前如无宏观塑性变形——脆性断裂
2）穿晶断裂与沿晶断裂
裂纹扩展是穿过晶粒内部的——穿晶断裂
裂纹扩展是沿着晶粒晶界的——沿晶断裂
穿晶断裂可分：
脆性断裂——穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑性变形
延性断裂——穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形
1、断口的处理
（1）在干燥大气中断裂的新鲜断口防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；
（2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。
（3）在潮湿大气中锈蚀的断口。
（4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。
腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。
2、断口分析的任务
（l）确定断裂的宏观性质。
塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。
（2）确定断口的宏观形貌。
纤维状断口/结晶状断口；
有无放射线花样及有无剪切唇等；
（3）查找裂纹源区的位置及数量。
裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存在多个裂草源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等；
（4）确定断口的形成过程。
裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展的速度如何等；
（5）确定断裂的微观机制。
解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；
（6）确定断口表面产物的性质。
断口上有无腐蚀产物或其他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。
二）断口的宏观分析方法
断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应力）间的关系。
生产中的产品检验的目的主要是：
1）利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺；
2）用断口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳件的出炉时间；
3）用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确定合理的感应器设计及淬火工艺；
4）用断口法确定高速钢的淬火质量；
5）用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。
1、最初断裂件的判断
分析对象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。
（1）整机残骸的失效分析
整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。
即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到单个零件，进而对最初断裂件的断口作具体分析。
（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。
在对多个同类零件的损坏情况下，要根据损坏件的变形及损伤的严重程度来确定最初破断件。
（3）同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析
在同一个零件上，在其几何结构及受力情况完全相同的几个部位均出现损坏的情况。
必须首先搞清楚是哪个部位首先损坏。
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。
主断面上的变形程度、形貌特点，特别是断裂源区的分析，是整个断裂事故分析中最重要的环节。
1）利用碎片拼凑法确定主断面
2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹
3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹
3、断裂（裂纹）源区的宏观判断
主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工作是寻找裂纹源区。
裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。
寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的基础。
1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区
2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区
3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区
4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区
5）将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源
6）根据断口上的色彩程度确定裂纹源区氧化色
4、宏观断口的表观现象与致断原因初判
1）断裂源区和零件几何结构间的关系
断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。
对于塑性材料的光滑试件（零件），在单向拉伸状态下，断裂源在截面的中心部位属于正常情况。
为防止零件出现此种断裂，应提高材料的强度水平或加大零件的几何尺寸。
表面硬化件发生断裂时，断裂源可能发生在次表层，为防止此类零件的断裂，应加大硬化层的深度或提高零件的心部硬度。
除上述两种情况外，断裂源区一般发生在零件的表面。
零件的尖角、凸台、缺口、刮伤及较深的加工刀痕等应力集中处。
为防止此类破坏显然应从减小应力集中方面入手。
2）断裂源区与零件最大应力截面位置的关系
断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。
如果不一致则表明零件的几何结构存在某种缺陷或工作载荷发生了变化，但更为常见的情况是材料的组织状态不正常（如材料的各向异性现象严重）或存在着较严重的缺陷（如铸造缺陷、焊接裂纹、锻造折迭）等情况。
例如，承受单向扭转工作载荷的轴件，其断口的宏观形貌，按其与最大应力之关系可能有以下几种情况：
（a）断口表面与最大正应力所在平面相对应，即断口与轴线呈45︒螺旋状。
此种类型的断裂为宏观脆性断裂，通常是由材料的脆性过大或韧塑性不足引起的。
通过改变零件的热处理工艺，适当提高回火温度则有助于减少零件的此类断裂。
（b）断口的表面与最大切应力所在平面相对应，即断口平面与轴线垂直或平行。
此种类型的断裂为宏观韧性的断裂，通常是由材料的强度或硬度不足引起的。
适当降低零件的回火温度，则有助于零件使用性能的改善。
上述两种情况均表示材料的组织均匀性未出现太大问题。
在此种情况下，如果调整热处理工艺难以避免上述两种断裂，则应提高材料的强韧性级别或者适当加大零件的几何尺寸。
（c）断口表面与轴线的夹角远小于45︒，即断口表面既不和最大正应力所在平面相对应也不和最大切应力所在平面相对应。
换句话说，该断裂面是在较小的应力条件下形成的。
由此可以推知，材料的各向异性现象比较严重，横向性能比较差。
通常是由材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。
3）断裂是从一个部位产生的还是从几个部位产生的，是从局部部位产生的还是从很大范围内产生的。
通常的情况是，应力数值较小或应力状态较柔时易从一处产生，应力数值较大或应力状态较硬时易从多处产生；
由材料中的缺陷及局部应力集中引起的断
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