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1、失效：失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力 时间 温度 环境介质和操作失误因 素作用 失去其原有功能的现象。 失效的特点：失效的特点：何时发生不确定何种方式不确定 1：完全失去作用 2：可以使用，但 是不能充分执行预期的作用 3：整体功能完好。某个构件严重损伤以使其继续使用不可靠 损失及影响程度不确定 失效分析：失效分析：对金属装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进 行分析研究 从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。 金属构件的失效形式金属构件的失效形式：变形失效，断裂失效，腐蚀失效，磨损失效 金属构件的失效原因的失效原因：（1）设计不合理结构设计不合理：圆角
2、半径、缺口、截面突 变、几何形状、截面大小、载荷设计不合理：应力计算不可靠、非正常载荷、环境及特 殊要求不满足（2）选材不当和材料缺陷（3）制造工艺不合理（4）使用操作不当和维修不 当 缩孔：缩孔：液态金属在冷凝过程中 由于体积收缩 会在铸件最后凝固部位形成孔洞 体积大 而集中的孔洞称为缩孔。影响因素【液态金属的温度（越高 体积越大） 冷却速度（越快 不易） 铸件结构（越复杂 越易） 】三个阶段：1、液态收缩阶段（从浇注温度到凝固开始 温度）2、凝固收缩阶段（从凝固开始温度到凝固结束温度）3、固态收缩阶段（从凝固结 束温度到室温） 疏松：疏松：细小分散的孔洞称为疏松。 （分类：宏观 微观） 缩
3、孔及疏松危害（使铸件力 学性能下降 影响加工后表面粗糙度 疏松使铸件渗漏而报废） 措施（顺序凝固 锻造和轧 制使其焊合） 偏析：偏析：金属在冷凝过程中 化学成分和杂质分布不均匀的现象。 （分类：晶内 晶间 区 域 比重） 晶内（枝晶）晶内（枝晶）：晶内化学成分不均匀的现象。影响因素（合金凝固速度 偏 析元素扩散能力）危害（降低力学性能 加工工艺性能 耐蚀性能）措施（均匀退火） 晶间：晶间：晶体间成分不均匀的现象。危害（各向异性变形 淬火裂纹）措施（均匀退火） 区域：区域：较大范围内化学成分不均匀的现象（SP）危害（S 破坏金属连续性、锻造和轧制时 会引起热脆和开裂 降低冲击韧性 疲劳强度塑性脆
4、性下降 产生冷脆 提高了韧脆转变温度 降低可焊接性）措施（提高钢液纯净度 采用合理的浇铸工艺） 比重比重：由于析出晶体与 余下溶液密度不同 导致材料出现分层 化学成分不均匀现象。影响因素（材料组元密度差 晶体溶液成分差 浇铸温度冷却速度）措施（加快冷却速度 充分搅拌） 气孔：气孔：冷凝过程中 气体从金属出来不及排除形成气孔。危害（减小金属有效承载面积 局部应力集中 抗疲劳能力下降）措施（脱氧充分防止产生 CO 防止高温出刚 采用真空及 负压浇注防止钢水吸气 钢包要烘烤去潮） 白点：白点：溶解度减小过量 H 在钢中空隙处聚集成 H 分子 使刚产生内部破裂 形成白点。 例：柴油机活塞冬天要死脆断例
5、：柴油机活塞冬天要死脆断 淬火 M 变形 CrMn Ms 点在 200左右 温度低于 Ms M、+A 残 A 残不稳定向 M 转变 体积增大所以容易出现要死 夏天 A 残相对稳定 措施：A 残稳定化处理 T=100-80（回火 温度）在转变成 M 过程中自回火 深冷处理+A 残稳定化处理 粗大魏氏组织粗大魏氏组织：由于 A 粗大 先析出物沿晶析出 并以一定方向向晶粒内部生长。影响 其形成因素（A 晶粒大小 A 越大越易形成 只有在一定冷却速度才会形成）危害（钢的机械 性能降低尤其降低韧性塑性和冲击韧性 增大 T 韧-脆）措施（退火正火达到细晶强化 双 重正火：一次 AC3 150-300 二次
6、 AC3+ 3050） 网状网状 C 化物：化物：C 从粗大 A 析出并扩散至晶界形成碳化物 呈网络状存在的 C 化物组织。 危害（增大脆性降低冲击韧性和降低寿命）措施（热处理方法：加热到 ACM 以上使 C 充分 融入 A 中然后快冷在进行退火 锻造方法：多次反复+大锻造比的锻造方法）带状组织：带状组织：沿轧制方向形成条带状分布的不同组织。原因：成分偏析 危害（横向塑性 和韧性降低 淬火时开裂失效 组织不均）措施（轻微的带状组织可用多次正火或扩散退火 加正火消除） 表面脱表面脱 C 层：层：T 加过高 T 保过长表层的 C 成分低于内层 降低了 C 量的表层。危害（易 于裂纹的产生）措施（机
7、加工磨掉脱碳层） 。 龟状裂纹龟状裂纹：裂纹的宏观外观呈龟壳网络分裂。成因（有 S 渗入钢料表面 CU 等易容元 素过多 钢料表面晶粒粗大）危害（影响力学性能和耐腐蚀性能）措施（磨修） 脆性夹杂物脆性夹杂物：完全不具有塑性的夹杂物。 （氧化物 ZRO2 AL2O3 CR2O3 氮化物夹杂 ALN.）塑性夹杂物塑性夹杂物：具有良好塑性的夹杂物（MNS FES）产生的裂纹倾向小 非金属夹杂物对钢性能的影响：一般对屈服强度 0-b 影响不大 对钢材纵向延伸性影响不大 横向延伸性影响较明显 降低钢材的断裂韧性。根本原因（夹杂物使金属应力发生再分布 引起应力集中 为材料破坏提供了最薄弱的部位 破坏塑性）
8、 熔焊熔焊：在焊接过程中 将工件接口加热至熔化状态 不加压力完成焊接的方法。 焊接焊接 是热加工工艺中最容易产生工艺缺陷的一种工艺。 焊接缺陷焊接缺陷：接头中产生的金属不连续 不致密或连续不良的现象。分类：咬边、焊瘤、 凹陷及焊接变形等 焊接裂纹按机理不同分为焊接裂纹按机理不同分为：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂纹 再热裂纹再热裂纹：焊后焊件在一定温度范围内进行的消除应力热处理工艺中所产生的裂纹。 部位：热影响区的粗晶部过裂于细晶区沿晶间开裂 形成机理（焊接时融入的沉淀相来不及 析出晶内产生二次沉淀相使晶内变形能力增强）措施（在条件允许下尽可能加快升温速度 尽快超过再热裂纹敏感区焊接时预热
9、和后热减小焊接应力） 层状撕裂：层状撕裂：热影响区附近产生的台阶状层状断裂。机理（裂纹沿自身所处的平面扩展 把同一平面的夹杂物连成一片 由剪切应力作用下发生剪切断裂 构成层状撕裂的阶梯形状）热裂纹热裂纹：在高温下产生，都沿 A 晶界开裂实在焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产 生的大多产生在焊缝金属中，宏观特征：沿焊缝轴向或纵向分布，横向分布裂口有氧化色 彩，表面无光泽；微观特征：沿晶粒边界分布，沿晶断裂。 【1.结晶裂纹结晶裂纹（产生原因 在焊 缝金属凝固结晶的后期 低熔点物质排挤在晶界形成一层薄膜 在焊接拉应力作用下 薄膜裂 开 形成结晶裂纹 措施 控制焊缝杂质含量 细化晶粒）2.高温裂化裂
10、纹高温裂化裂纹（高温下产生 在 焊接应力作用下 沿奥氏体晶间发生开裂 措施 控制木材中 SP 杂质含量 改善焊接工艺）3. 多变化裂纹多变化裂纹（产生温度低于固相线温度 存在晶格缺陷 在化学作用下 缺陷聚集形成了多边 化边界 使强度塑性下降 沿多边化边界开裂 形成机理 焊缝金属存在很多高密度的位错 在 高温和应力共同作用下 不同平面上运动的刃型位错可能发生攀移 由原来的水平组合变成 后来的垂直组合 措施 加入一些提高多边化过程的元素 减小攀移的能力 减小焊接应力的 存在） 】 冷裂纹冷裂纹：一般特征（产生温度在 MS 点附近温度区间 部位：热影响区 极少在焊缝产 生钢种广泛，汗后立即出现 0-
11、几小时几天或更长时间） 。宏观特征：断口有发亮金属光泽， 裂口锯齿型凹凸不平，深浅不一，尾端尖而细，裂纹内腔无明显杂质；微观特征：晶间断 裂，也有穿晶内断裂，也有穿晶混合断裂。 【1.延迟裂纹延迟裂纹（不是在焊后立即出现的裂纹 机 理：钢种的淬硬倾向越大 越易产生裂纹 焊接接头含 H 量 H 具有延迟作用 措施：选择低 C 微量多合金 低 H 焊接材料 控制 H 来源烘干焊条清理焊件焊丝 加入合金元素提高塑性 预热 后热 缓冷清除应力集中部位）2.淬硬脆化裂纹淬硬脆化裂纹（淬硬组织在焊接应力下产生的裂纹）3.低塑性脆化裂纹低塑性脆化裂纹（应变超过了塑性储备量所产生的裂纹） 】 塑性变形塑性变形
12、：当外加应力超过屈服极限时 物体不能完全恢复原来的形状而使一部分变形 保留下来 这部分参与变形称为塑性变形。特点（不可逆性 不均匀性 伴随材料性能变化） 塑性变形失效塑性变形失效：材料产生的塑性变形量超过允许的数值 从而影响构件执行正常功能。 措施（合理选材-Os 高的 准确设计 严格工艺-减小内部应力） 蠕变蠕变：金属长时间的低温恒压力作用下缓慢产生塑性变形的现象。 蠕变过程：减速-恒速-加速蠕变阶段。 蠕变极限（高温长时间载荷作用下材料塑性变形抗 力指标 蠕变极限越高 材料抗高温蠕变性能越好）措施（用抗蠕变性能材料 防止超温使用）应力松弛变形失效应力松弛变形失效：随时间增长 蠕变逐渐增加的
13、塑性变形代替原来的弹性变形 使零 件内应力逐渐降低的现象。 当保持应力恒定就产生蠕变 保持应变恒定产生松弛。 断裂失效断裂失效：过程（裂纹萌生-裂纹扩展-断裂阶段）分类【按微观断裂机理（韧窝 蠕变 解理 沿晶 疲劳）断裂路径（穿晶 沿晶 混晶） 断裂性质（韧性 脆性和疲劳断裂） 】 韧性断裂韧性断裂：构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂。韧性（断裂前吸收塑性变形 功和断裂功能力）宏观特征（1.断口附近有明显宏观塑性变形 2.断口呈杯锥状 3.断口表面 呈纤维状）微观特征【在断口上存在大量韧窝（韧窝花样：材料在微区范围内塑性变形的 孔洞 形核长大 最后连接断裂后断口留下的痕迹-是韧性断裂的必要
14、条件 不是充分条件） 等轴 剪切 撕裂韧窝-对于同一材料 撕裂条件相同时 韧窝越大 材料韧塑性越好】 脆性断裂脆性断裂：构件未经明显的变形而发生的断裂。特点（无明显塑性变形 断裂前吸收能 量低 断裂速度快） 宏观特征（断裂面通常与拉伸应力垂直 人字条纹和山形条纹） 微观断口形貌和机理：解理断裂（在一定条件下 当外加正应力达到一定数值后 以极快的 速度沿一定晶体平面产生穿晶断裂 此晶体平面为解理面。 特征：解理台阶 河流、舌状花 样） 准解理和解理断裂的区别准解理和解理断裂的区别（准解理平面不是晶体学解理面 解理断裂纹起源于晶界 准 解理裂纹源于晶内硬质点，河流花样粗糙明显，不是一种独立的断裂机
15、理是解理断裂的变 种） 沿晶断裂沿晶断裂：最基本的微观特征为有晶界刻面的冰糖状形貌。 脆性断裂影响因素：内因（钢材质量和冶金缺陷）外因（应力状态加载方式构件构造温度）措施（应力集中减小到最低限度 结构材料有一定韧性 提高材料质量 控制温度和环境介质）疲劳断裂：疲劳断裂：变动载荷作用下 零件经过较长时间工作或多次应力循环后发生的突然断裂 现象。分类【按应力状态（弯曲 扭转 拉压疲劳）环境（腐蚀 热 接触）破坏原因（机械 腐蚀 热） 】宏观形貌【疲劳源（裂纹萌生地 疲劳破坏起始点）疲劳区（疲劳裂纹扩展区） 贝纹线（以疲劳源为中心的近似于平行的一簇向外凸的向心圆 作用-找到疲劳源 判断韧性 和脆性）
16、瞬断区（疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。应力越大 瞬断区面积比例越大） 】 微观形貌（疲劳辉纹 轮胎压痕花样） 影响疲劳断裂的因素影响疲劳断裂的因素：应力 零件尺寸 表面状况 环境介质 加载顺序 内因：化学成分（疲劳强度随 C 增高而增加 合金元素通过提高淬透性改善组织）显微组 织（细化晶粒提高疲劳极限 夹杂物越多疲劳极限越低）外因：表面状态（表面光洁度越高 疲劳极限越高 缺陷引起应力集中）尺寸效应（尺寸增加疲劳极限降低 截面尺寸突变处应 力集中）措施（合理选材 设计尺寸合理 降低表面粗糙度 采用各种表面处理） 磨损失效磨损失效：相互接触零件间发生摩擦 过程中零件表面发生的尺寸变化和物质损耗现象 磨料磨损的机理：微观切削磨损机理（对表面切削 形成切削屑 表面留下犁沟）多次塑变磨损机理（反复塑性变形 最后剥落成为磨屑）疲劳磨损机理（材料表层收到磨料施加的反 复应力作用 不断产生变形 产生疲劳）微观断裂磨损机理（对脆性材料裂纹从压痕处伸向 内部） 影响磨料磨损因素：材料硬度高耐磨性好 材料硬度与磨粒硬度比
