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1、3 金属构件的常见失效形式及判断,3.1 变形失效 3.2 断裂失效 3.3 腐蚀失效 3.4 磨损失效,3 金属构件的常见失效形式及判断,3.1 变形失效 3.2 断裂失效 3.3 腐蚀失效 3.4 磨损失效,3.1 变形失效,3.1.1 金属构件的弹性变形失效 3.1.2 金属构件的塑性变形失效 3.1.3 高温作用下金属构件的变形失效,3.1.1 金属构件的弹性变形失效,3.1.2 金属构件的塑性变形失效,3.1.3 高温作用下金属构件的变形失效,蠕变断裂机理,粘弹性材料在总应变不变的条件下，由于试样内部的粘性应变（或粘塑性应变）分量随时间不断增长，使回弹应变分量随时间逐渐降低，从而导致
2、变形恢复力（回弹应力）随时间逐渐降低的现象。 物理本质是结构在力的作用下发生塑性变形，这种变形导致结构内部应力减小。就叫应力松弛。而实际材料受荷载作用的时候，如果这个荷载远小于材料的弹性极限，则可以忽略应力松弛的影响，但如果荷载接近于材料的比例极限，或者荷载相当大，并且持续时间长，则就需要考虑应力松弛的影响了，比如预应力混凝土结构中的预应力钢筋，就会出现应力松弛。,3.2 断裂失效,断口分析,3.2.0 断 口 分 析,断口分析 断口处理及断口分析的任务 断口的宏观分析 断口的微观分析,断口处理,断口处理及断口分析的任务,断 口 分 析,断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、
3、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。,断口处理,断 口 分 析,1 断口的处理,（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
4、去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。,（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；,断口处理,断 口 分 析,1 断口的处理,化学法常用的溶液为： 20NaOH水溶液加 200克升锌粉。在此溶液中将断口煮沸5分钟，清理吹干即可。,电化学法（阴极还原法）用于那些使用上述方法难以清除的氧化物 。,电介质为50硫酸水溶液加 2克升缓蚀剂（若丁） 。阳极为石墨或铅，阴极为断口试样，75C、3分钟，阴极 电流密度约20Adm-2。,断口处理,断 口 分 析,1 断口的处理,电解溶液为40%NaOH+60%Na2CO3（加热至 550C），断口样品为阴极，容器为阳极，电流
5、密度 40Adm-2，时间510s，随后入冷水激冷。为加速清 洗，最后再转入到5070C的10%柠檬酸铵水溶液中 浸泡12min，并同时用毛刷刷试。,断口处理,断 口 分 析,1 断口的处理,干剥法是利用复型技术将表面产物去掉，因不影响断口形貌，故较优越。特别是对于硫化气氛或氧化气氛中断裂的断面分析时，因腐蚀产物通常是致密的FeS及FeO，效果更佳。复型技术尚可用来长期保存断口。,干剥法通常采用醋酸纤维纸（又称 AC纸，是由7的醋酸纤维素丙酮溶液制成的均匀薄膜）复型技术进行清理。,断口分析,宏观断口分析,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）
6、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；,断口分析,断 口 分 析,2. 断口分析的任务,（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。,铝合金,产品检验,宏观断口分析,生产中的产品检验： 利用断
7、口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺； 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； 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； 用断口法确定高速钢的淬火质量； 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）。,宏观分析,断 口 分 析,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。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。,断口的
8、宏观分析是断裂件失效分析的基础,查找断裂源区是宏观分析的最重要环节,断口的宏观分析,目标： 确定首先破坏部件 判断宏观脆性或宏观韧性断裂 确定主裂纹（起始）断裂位置 判断裂纹源和裂纹走向,1.最初断裂件的判断 （1）整机残骸的失效分析 （2）多个同类零件损坏的失效分析 （3）同一个零件上相同部位的多处发生破断 2. 主断面（主裂纹）的宏观判断 3. 断裂（裂纹）源区的宏观判断,最初件判断,断 口 分 析,1.最初断裂件的判断 （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
9、初断裂件的断口作具体分析。,最初件判断,3.3 断 口 分 析,1.最初断裂件的判断 （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。,最初件判断,断 口 分 析,1.最初断裂件的判断 （3）同一个零件上相同部位的多处发生破断 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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,31,哥伦比亚号爆炸,哥伦比亚号分析现场,宏观分析,3.3 断
10、 口 分 析,31,哥伦比亚号发射,愉快的太空生活,泰坦尼克号残片,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,宏观分析,3.3 断 口 分 析,宏观分析,3.3 断 口 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。,主断面上的变形程度、形貌特点，特别是断 裂源区的分析，是整个断裂失效分析中最重要的 环节。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,33,（1）利用碎片拼凑法确定主断面,宏观分析,3.3 断 口 分 析,34,（2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹,（3
11、）按照裂纹的河流花样确定主裂纹,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,3. 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。,断口分析的核心任务,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区,人字纹的头部指向裂纹源,3.3 断 口 分 析,35,38,（2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区,放射形花样中心为裂纹源,3.3 断 口 分 析,35,39,
12、（3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区,“贝纹”线中心为裂纹源,3.3 断 口 分 析,35,（4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区,宏观分析,（7）断口表面的损伤情况 碰撞，摩擦 等,3.3 断 口 分 析,35,（8）断口的边缘情况 剪切唇，毛刺 等,（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（程度），锈蚀情况，油污 等,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,4、宏观断口的表观现象 与致断原因初判,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（1）断裂源区和零件几何结构间的关系 断裂源区
13、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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（1）断裂源区和零件几何结构间的关系 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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（1）断裂源区和零件几何结构间的关系 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
14、力集中方面入手。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,36,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：,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（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
15、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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（c）断口表面与轴线的夹角
16、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。,宏观分析,3.3 断 口 分 析,35,（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裂，裂纹多从局部产生；存在大尺寸的几何结构缺陷引起的应力集中时，裂纹易从大范围内产生。,宏观分析,
