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1、失效分析知识点第一章 概论1. 失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。2. 失效三种情况：（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）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。3. 失效分析定义：对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件
2、失效的原因）。5. 失效分析的意义：（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。 第二章 失效分析基础知识一. 机械零件失效形式与来源：1. 按照失效的外部形态分类：（1） 过量变形失效：扭曲、拉长等。原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。（2） 断裂失效：一次
3、加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起； 环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断； 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、
4、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
5、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
6、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
7、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
8、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
9、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
10、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
11、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
12、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。）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；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；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
13、）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：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）； 按照“T”形汇合法确定主断面或主裂纹； 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。将断开的零件的两部分相匹配：裂缝的最宽处为裂纹源区根据断口上的色彩程度确定裂纹源区：主要
14、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。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：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。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）解理断裂定义：是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生
15、的一种穿晶断裂。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。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。 纤维区：位于断裂的起始部位，裂纹的形成核心位于此区； 放射区：裂纹的快速扩展区，放射条纹状，或人字纹； 剪切唇：最后断裂区（2）对于宏观脆性的过载断裂失效
