材料失效分析

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1、1. 零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况:（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等， 从而完全丧失其功能。（2）零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作， 但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等。（3）零件虽然能够工作，也能完成规定 功能，但继续使用时，不能确保安可靠性。如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内 部组织已经发生变化当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。2. 首先制定一个科学的分析程序，是保证失效分析工作顺利而有效进行的前提条件3. 断口分析的任务（1）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

2、/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，裂纹源区的数目， 在存在多个裂纹源区的情况下，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4. 查找断裂源区是宏观分析的最重要环节5. 断口分析（1）利用碎片拼凑法确定主断面.密合程度好的为后断的，密合最差的断面为最 先开裂的断面，即主断面

3、。（2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹.如果在最初断裂 件上分成几块或是存在两条以上的相互连接的裂纹，此时可以按照“T”形汇合法的原则加 以判断.（3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹.通常的情况是，主裂纹较宽、较深、较长， 即河流花样的主流。6. （1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源（静载断裂或过载断裂）a.纤维区：位于 断裂的起始部位；b放射区：是裂纹的快速扩展区；c剪切唇：最后断裂区。（2）利用断口 上的“人”字纹特征确定裂纹源区.板装试件或矩形截面-静载断裂-一组人字纹指向末 端-裂纹源区（3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区.圆形试件、缺口冲击试件的静载 断裂（或应力腐蚀及氢

4、脆断裂）其撕裂棱线通常呈放射线状，其放射线中心-裂纹源（4） 根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区.疲劳断裂-贝纹花样特征条-贝纹线形似一组同心 圆-该圆心即为裂纹源（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一一氧化色（程度），锈蚀情况，油污等（7）断口表 面的损伤情况 碰撞，摩擦等（8）断口的边缘情况 剪切唇，毛刺等7. 断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。8. 导致金属零件发生脆性的解理断裂的原因（1）通常只有冷脆金属才能发生解理断裂。面 心立方金属一般不会发生解理断裂。仅在腐蚀介质存在的特殊条件下，奥氏体钢、铜及铝等 才可能发

5、生此种断裂。（2）构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。（3）只有在平 面应变状态（三向拉应力状态）/几何尺寸属于厚板情况。（4）晶粒尺寸粗大。因为解理断 裂单元为一个晶粒尺寸，粗晶使解理断裂应力显著降低，粗晶使脆性转折温度向高温方向推 移，故易促使解理断裂。（5）宏观裂纹的存在。裂纹顶端应力集中并使构件的脆性转折温度 移向高温，均促使冷脆金属发生解理断裂。（6）加载速度大及活性介质的吸附作用都促进解 理断裂的发生9. 微孔型断裂；1）微孔型断裂的微观形貌微孔型断裂，又叫微孔聚集型断裂，它是指塑 性变形起主导作用的一种延性断裂。微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、韧窝、迭波 花样。在孔

6、坑的内部通常可以看到第二相质点或其脱落后留下的痕迹，这是区别断裂的主要 微观特征。（2）宏观脆性微孔型断裂的特点其微观电子形貌为细小、均匀分布的等轴型微孔， 微孔的形成和连接时的塑性变量很小。这种断裂的特点是由高强度材料的组织特点决定的， -在固溶强化的基础上弥散分布着细小的第二相质点，质点的平均间距很小。-这种组织 对于裂纹的敏感性非常大；裂纹顶端的应力集中现象很严重，其断裂的名义应力低于材料的 屈服极限，而其微观机制确是微孔聚集型。（4）宏观脆性微孔型断裂的预防措施预防高强 度材料裂缝件发生微孔型断裂，主要从材料角度出发，提高材料的断裂韧度加以解决。1. 纯化金属-减少有害杂质的含量；2.

7、是有害杂质以固溶态存在；3.球化异相质点，并改变其 分布状态；4.改变强化相的性质；5.发挥韧性相得作用。10. 准解理型断裂（1）微观形貌特征由平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合 断裂（2）断裂性质的判别（a）在微观范围内可以看到“解理”断裂和微孔型断裂的混杂现 象，即在微孔断裂区内有平坦的小刻面或在小刻面的周边有塑性变形形成的撕裂棱的形貌特 征；（b）小刻面的几何尺寸与原奥氏体晶粒大小基本相当，即断裂单元为一个晶粒大小；（c） 小刻面上的河流花样比解理断裂所看到的要短，且大都源于晶内而中止于晶内；（d）小刻面 上的台阶直接汇合于邻近的由微扎组成的撕裂棱上。11. 沿晶断裂金属零

8、件在应力作用下沿晶粒边界发生分离的现象称为沿晶断裂。晶界有条 状析出物晶界有“鸡爪”痕12. 1.沿晶正向断裂典型形貌：冰糖块状，晶粒的多面体形状清晰、完整。典型的回火致脆 断裂、金属的过热引起的粗晶脆断、蠕变断裂及富氧层引起的沿晶断裂等。2.沿晶的延性断 裂典型形貌：晶粒间界的表面上存在有大量的微孔花样。3.脆性的第二相质点沿晶界析出引 起的脆性沿晶断裂：晶粒间界的表面上存在有大量的第二相质点及质点脱落留下的空洞，- 晶界有条状析出物，几乎不发生塑性变形。4.晶界与环境介质交互作用引起的沿晶断裂：晶 界表面上具有特殊的产物及形貌特征，如氢化物致脆-“鸡爪”痕5.具有疲劳机制的沿晶断 裂：疲劳

9、纹和微坑特征（交变应力作用下疲劳纹沿弱化的晶界扩展引起的断裂）13. 沿晶断裂失效的预防措施1.提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布；2.严 格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化；3.减少晶界与环境因素间的交 互作用；4.降低金属表面的残余拉应力，以及防止局部三向拉应力状态的产生。14. 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。明确：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂过载：工作应 力超过构件的实际承载能力15. 扭转和弯曲过载断裂断口特征 韧性扭转过载断口，断面与轴向垂直，在断口上可见到 明显的“漩涡”状

10、；脆性扭转过载断口断面与轴向呈45,断裂起源于轴的台阶根部硬化层 处；弯曲过载断裂的十字轴，在十字轴根部有明显的加工刀痕16. 回火致脆断裂的特征宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为观 脆断。脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成 的冰糖块状。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别于其它类型的沿晶断裂。但马氏体回 火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。在断口上一般可见 二次断裂裂纹。17. 冷脆金属低温脆断的特征（1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征典型断口宏观特征为 结晶状，并有明显的镜面反光现象。断口与正应力轴垂

11、直，断口齐平，附近无径缩现象，无 剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强度材料断口有时呈 放射状撕裂棱台阶花样。（2）冷脆金属低温断裂断口的微观形貌冷脆金属低温断裂断口的 微观形貌具有典型的解理断裂特征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、 扇形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生。18. 第二相质点致脆断裂失效1、第二相质点致脆断裂的类型第二相质点致脆断裂是指由第 二相质点沿晶粒间界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。脆性的第二相质点 沿原奥氏体晶界择优析出引起的晶界脆化。某些杂质元素沿晶界富集引起的晶界弱化

12、19. 氢致脆断的断口形貌特征（1）宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色； 实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此断口上常常包括这两种断裂的特征（2）微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界有时可看到变形线（呈发纹或鸡爪痕花样）； 应力较大时也可能出现微孔型的穿晶断裂。（3）在应力集中较大的部位起裂时，微裂纹源表 面或靠近缺口底部。应力集中比较小时，微裂纹多源于次表面或远离缺口底部（渗碳等表面 硬化件出现的氢脆多源于次表面）20. 热脆断裂的特点（1）呈现热脆性的钢材，在高温下的冲击韧性并不低，而室温冲击韧性一般比正常值降低5060%，甚至降低80%以上，其它强度指标及塑性指标

13、均不发生明 显变化。奥氏体钢热脆性时有所不同，在热脆发生的同时还往往发生强度和塑性等指标的变 化。（2）断裂的宏观表现是脆性的，断口呈粗晶状。微观上为沿晶的正向断裂。（3）具有热脆性的金属，其金相组织上可以看到黑色的网状特征，并有第二相质点析出。这是判 定金属高温脆性发生的重要依据，其金相组织中的黑色网状（4）几乎所有的钢材都有产生 热脆性的倾向。在碳钢中出现热脆性的必要条件是有塑性变形。21. 蠕变断裂的特征（1）宏观特征明显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征。在断口附近产 生许多裂纹，使断裂件的表面呈现龟裂现象。蠕变断裂的另一个特征是高温氧化现象，在断 口表面形成一层氧化膜。（2）微观特征大多

14、数的金属构件发生的蠕变断裂是沿晶型断裂，但 当温度比较低时（在等强温度以下），也可能出现与常温断裂相似的穿晶断裂.沿晶蠕变断 裂的截面上可以清楚地看到局部地区晶间的脱开及空洞现象。断口上存在与高温氧化及环境 因素相对应的产物。22. 蠕变断裂机理:金属材料在蠕变过程中可发生不同形式的断裂，按照断裂时塑性变形量大 小的顺序，可以讲蠕变断裂分为如下类型：1.沿晶蠕变断裂：沿晶蠕变断裂是常用高温金属 材料（如耐热钢、高温合金等）蠕变断裂的一种主要形式。主要是因为在高温、低应力较长 时间作用下，随着蠕变不断进行，晶界滑动和晶界扩散比较充分，促进了空洞、裂纹沿晶界 形成和发展。2.穿晶蠕变断裂：穿晶蠕变

15、断裂主要发生在高应力条件下。其断裂机制与室温 条件下的韧性断裂类似，是空洞在晶粒中夹杂物处形成，并随蠕变进行而长大、汇合的过程。3.延缩性断裂：延缩性断裂主要发生在高温（T 0.6 Tm ）条件下。这种断裂过程总伴随着 动态再结晶，在晶粒内不断产生细小的新晶粒。由于晶界面积不断增大，空位将均匀分布， 从而阻碍空洞的形成和长大。因此，动态再结晶抑制沿晶断裂。晶粒大小与应变量成反比。23. 切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应 力/缺口切断强度N1 ；正应力/缺口正断强度1;切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的 应力应变场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力

16、轴约成45角，并沿其滑移面扩展24. 正断疲劳的初裂纹，是由正应力引起的。初裂纹产生的力学条件是：正应力/缺口正断 强度N1，切应力/缺口切断强度1;正断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变场为 平面应变状态；初裂纹所在平面大致上与应力轴相垂直，裂纹沿非结晶学平面或不严格地沿 着结晶学平面扩展。25. 典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、 裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源 区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为疲劳区和瞬时断裂区两个 部分。26. 金属零件在交变的弯曲应力作用下发生的疲

17、劳破坏称为弯曲疲劳断裂。弯曲疲劳又可分 为单向弯曲疲劳、双向弯曲疲劳及旋转弯曲疲劳三类。其共同点是初裂纹一般源于表面，然 后沿着与最大正应力垂直的方向向内扩展，当剩余截面不能承受外加载荷时，构件发生突然 断裂。27. 拉压疲劳断裂的疲劳核心多源于表面而不是内部，疲劳初裂纹将起源于缺陷处，在断口 上将出现两个明显的不同区域，一是光亮的圆形疲劳区（疲劳核心在此中心附近），周围是 瞬时断裂区。在疲劳区内一般看不到疲劳弧线，而在瞬时断裂区具有明显的放射花样。28. 扭转疲劳断裂各类传动轴件的断裂主要是扭转疲劳断裂。扭转疲劳断裂的断口形貌，主要有三种类型。（1）正向断裂断裂表面与轴向成角，即沿最大正应力

18、作用的平面发生的断裂。单向脉动扭转时为螺旋状；双向扭转时，骐断裂面呈星状，应力集中较大的呈锯 齿状。（2）切向断裂 断面与轴向垂直，即沿着最大切应力所在平面断裂，横断面齐平。 正向断裂的宏观形貌一般为纤维状，不易出现疲劳弧线。切向断裂较易出现疲劳弧线（3） 混合断裂横断面呈阶梯状，即沿着最大切应力所在平面起裂并在正应力作用下扩展引起的 断裂。29. 疲劳断裂的微观形貌特征疲劳断口微观形貌的基本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。疲劳辉纹是具有一定间距的、垂直于 裂纹扩展方向、明暗相交且互相平行的条状花样。30. 延性疲劳辉纹是指金属材料疲劳裂纹扩展时

19、，裂纹尖端金属发生较大的塑性变形。疲劳 条痕通常是连续的，并向一个方向弯曲成波浪形。通常在疲劳辉纹间存在有滑移带，在电镜 下可以观察到微孔花样。高周疲劳断裂时，其疲劳辉纹通常是延性的31. 脆性疲劳辉纹是指疲劳裂纹沿解理平面扩展，尖端没有或很少有塑性变形，故又称解理 辉纹。在电镜下既可观察到与裂纹扩展方向垂直的疲劳辉纹，又可观察到与裂纹扩展方向一 致的河流花样及解理台阶。脆性金属材料及在腐蚀介质环境下工作的高强度塑性材料发生的 疲劳断裂，或缓慢加载的疲劳断裂中，其疲劳辉纹通常是脆性的。33. 当断口上既有疲劳特征又有腐蚀疲劳痕迹时，显然可判断为腐蚀疲劳破坏。但是，当 断口未见明显宏观腐蚀迹象，

20、而又无腐蚀产物时，也不能认为，此种断裂就一定是机械疲劳。34. 热疲劳实质上是应变疲劳，因为热疲劳破坏起因于材料内部膨胀和收缩产生的循环热应 变。高温下工作的构件通常要经受蠕变和疲劳的共同作用。35. 疲劳断裂的预防措施（1）改善构件的结构设计，提高表面精度，尽量减少或消除应力 集中作用；（2）提高零件的疲劳抗力。36腐蚀失效形式a腐蚀造成受载零件截面积的减小而引起过载失效（断裂）b腐蚀引起密封 元件的损伤而造成密封失效。c腐蚀使材料性质变坏而引起失效。d腐蚀使高速旋转的零件 失去动平衡而失效。e腐蚀使设备使用功能下降而失效。37. 腐蚀形貌特征：A）大部分金属表面的腐蚀极其轻微，有的甚至光亮

21、如初，仅在局部出 现腐蚀小坑B）有的点蚀凹坑仍有金属光泽，若将凹坑的表皮去掉，则可见严重的腐蚀坑。 C）蚀坑的表面有时被一层腐蚀产物所覆盖。将其去除后，则可见严重的腐蚀坑。D）在某 种特定的环境条件下，腐蚀坑会呈现出宝塔状的特殊形貌。38. 晶间腐蚀：形貌特征：宏观上看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强 度及延伸率显著降低。金属表面出现裂纹，甚至呈现酥脆，稍加外力，晶粒即行脱落，同时 失去金属声。微观上看到发生沿晶界均匀腐蚀的现象，有时尚可看到晶粒脱离。断口呈现冰 糖块状的形貌。39. 解理断裂金属材料在一定条件下（如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、 冲击载荷作用），当

22、外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。 解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解 理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。通常，解理断裂总 是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。剪切断裂金属材料在切应力作用下，沿滑 移面分离而造成的滑移面分离断裂，又分为滑断（切离或纯剪切断裂）和微孔聚集型断裂。纯 金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢 拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。40. 韧性断裂的宏观特征韧性金属的光滑圆试样拉伸的宏观变形方式为颈缩，其典

23、型断 口为杯锥状断口，还有一种剪切断口。韧性断裂的微观特征韧窝：它是材料在微观范围内塑性变形产生的显微空洞的核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后在断口上留下的 痕迹。韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征。41. 失效的主要形式及其原因序号直1a.扭间（血花博】b 一拉长匚场踏面件）G.朦大超限扣派厢宿塞/悻d. 如3（1为机械e, 律性洞牛站就氏斐曜由于左一定裁苟彖停下发生n fit吏循，写件妄去应有功弟不竖正 常便用-2一次如戴断虢1如赦伸、冲击.特斌蟀，由于霸骑我g藤度超过当时 的料时彖孰能力而引泡-环境弁质圳起的断鼬匚盛力画浊.氛顾-液奇 金属魄化，粮源脆化如做盛劳等X由于虾踱介项.应力

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25、稍有灰暗。脆性断裂的微观特征脆性断裂的微观判据是解理花样和沿晶 断口形态。金属在正应力作用下，因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。 解理断裂的主要特征是：开裂速度快；开裂沿着低指数的结晶画称为解理面）发生；解理断 裂时，一般不发生或产生较小的塑性变形。43. 材料的失效形式和应力状态脆断：断裂前无宏观塑性变形，脆性材料受拉。剪断： 沿最大剪应力方向发生的断裂，受压、扭联合作用。屈服：经过一定的塑性变形后方发生 的断裂，塑性材料的单向或二向应力状态。不只试伴的向Ji辱体茶励6圳口滨匿，血-切口胃弗样形tt应力篥中夷理府方策中系数（K）某巾牯甘f/rH51。tftU5.5?r5靴网翊龄卜池口或内都知 g）.lEnn3.皿04.5-S.&2.ra.83.5瞧昭剧口1.04.D内部切口1-62.DAA内E淄她环昭即口3.M.04.5-S.&3.04.Drr