《材料失效分析》實(shí)驗(yàn)教案2014上

1、課 程 教 案課程名稱： 材料失效分析實(shí)驗(yàn) 任課教師： 劉先蘭 所屬院（部）： 機(jī)械工程學(xué)院 教學(xué)班級(jí)： 2011級(jí)金屬材料工程 教學(xué)時(shí)間：20132014學(xué)年第二學(xué)期湖 南 工 學(xué) 院材料失效分析實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)課程編碼： 學(xué)時(shí)：6適用專業(yè)：金屬材料工程先修課程：材料科學(xué)基礎(chǔ)、材料力學(xué)性能、金屬塑性成型原理、現(xiàn)代材料檢測(cè)技術(shù)等考核方式： 一、實(shí)驗(yàn)課程的性質(zhì)與任務(wù)幫助學(xué)生進(jìn)一步理解所學(xué)知識(shí)，加深對(duì)一般工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件失效分析的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和基本技能的掌握；能夠利用所學(xué)的知識(shí)建立失效分析方法和思路（故障樹）；熟悉判斷失效零件裂紋源的方法；熟知各類斷裂件的斷口形貌及斷裂機(jī)制，分析各種斷裂類型、起裂

2、點(diǎn)及斷裂過程。二、實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí)驗(yàn)一 材料失效中的金相分析法實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)二 零件失效的宏觀分析法（2學(xué)時(shí)）實(shí)驗(yàn)三 靜載荷作用下的金屬材料斷裂失效斷口分析（2學(xué)時(shí)）三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求每個(gè)實(shí)驗(yàn)均應(yīng)寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告。按統(tǒng)一格式，采用統(tǒng)一封面和報(bào)告紙。實(shí)驗(yàn)報(bào)告內(nèi)容應(yīng)包括實(shí)驗(yàn)名稱、目的、內(nèi)容和理論基礎(chǔ)、實(shí)驗(yàn)設(shè)備（名稱、規(guī)格及型號(hào)）及材料名稱，實(shí)驗(yàn)步驟、實(shí)驗(yàn)結(jié)果、結(jié)果分析。四、其它要求實(shí)驗(yàn)中，注重知識(shí)、能力、素質(zhì)的協(xié)調(diào)發(fā)展，突出學(xué)生的創(chuàng)新精神與創(chuàng)新能力的培養(yǎng)。五、教材和參考資料  1教材：材料失效分析，莊東漢主編.華東理工大學(xué)出版社. 2參考資料：1機(jī)械零件失效分析，劉瑞堂編，哈爾

3、濱工業(yè)大學(xué)出版社.2材料成形與失效，王國(guó)凡主編，化學(xué)工業(yè)出版社.3材料現(xiàn)代分析方法，左演聲主編，北京工業(yè)出版社.4 斷口學(xué)，鐘群鵬主編，高等教育出版社.5 金屬材料及其缺陷分析和失效分析100例，候公偉主編，機(jī)械工業(yè)出版社.實(shí)驗(yàn)一 材料失效中的金相分析法實(shí)驗(yàn)（2學(xué)時(shí)）金相分析技術(shù)的重要性在于：（1）根據(jù)金相分析結(jié)果可以判斷熱處理生產(chǎn)工藝及其組織缺陷；（2）根據(jù)金相顯微組織照片可以知道構(gòu)件的破壞原因【1】實(shí)驗(yàn)的目的和要求1）目的通過實(shí)驗(yàn)，幫助學(xué)生進(jìn)一步理解和掌握所學(xué)專業(yè)知識(shí)，加深對(duì)一般工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件失效分析的基礎(chǔ)知識(shí)、基本方法和基本技能的掌握。2）要求要求學(xué)生在熟悉和鞏固各種檢測(cè)方法的基本原

4、理和應(yīng)用特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體失效產(chǎn)品，做出合理分析。能夠運(yùn)用金相分析法在材料失效分析中的應(yīng)用?！?】實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或原理在失效件上切片，制備相關(guān)金相試樣。金相檢驗(yàn)材料的顯微組織，有助于確認(rèn)熱處理的質(zhì)量情況，為失效原因提供證據(jù)。一、材料失效分析方法分類一） 相關(guān)性分析的思路及方法 一般用于具體零、部件及不太復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)的失效分析中。 1. 按照失效件制造的全過程及使用條件的分析方法（1）審查設(shè)計(jì) 如對(duì)使用條件估計(jì)不足進(jìn)行的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)判據(jù)不足，高應(yīng)力區(qū)有缺口，截面變化太陡，缺口或凹倒角半徑過小及表面加工質(zhì)量要求過低等均可能是致斷因素。（2）材料分析 材料選用不正確，熱處理制度不合理，材

5、料成分不合格，夾雜物超級(jí)，顯微組織不符合要求，材料各向異性嚴(yán)重，冶金缺陷等。（3）加工制造缺陷分析 鑄、鍛、焊、熱處理缺陷，冷加工缺陷，酸銑、電鍍?nèi)毕?，碰傷，工序間銹蝕嚴(yán)重，裝配不當(dāng)，異物混入及漏檢等。（4）使用及維護(hù)情況分析 超載、超溫、超速，啟動(dòng)、停車頻繁或過于突然，潤(rùn)滑制度不正確，潤(rùn)滑劑不合格，冷卻介質(zhì)中混有硬質(zhì)點(diǎn)，未按時(shí)維修保養(yǎng)，意外災(zāi)害預(yù)防措施不完善等。 2. 根據(jù)產(chǎn)品的失效形式及失效模式分析的思路及方法 這是較為常用的分析方法。一個(gè)具體的零件失效后，根據(jù)其表現(xiàn)形式（過量變形、表面損傷和斷裂）進(jìn)一步分析失效模式，然后分析導(dǎo)致這種失效模式的內(nèi)部因素和外部因素，最后找出失效的原因。 3.

6、 “四M”分析思路及方法 所謂“四M”分析法，是指將Man（人）、Machine（機(jī)器設(shè)備）、Media（環(huán)境介質(zhì)）和Management（管理）作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法。對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)常采用此種方法。依此分別進(jìn)行如下四方面的分析工作。（1）操作人員情況的分析 如工作態(tài)度不好、責(zé)任心不強(qiáng)、玩忽職守、主觀臆斷和違章作業(yè)等不安全行為以及缺乏經(jīng)驗(yàn)、反應(yīng)遲鈍和技術(shù)低劣等局限性。（2）環(huán)境情況的分析 主要指的是產(chǎn)品在使用狀態(tài)下所處的環(huán)境條件，如載荷狀態(tài)、大小、方向的變化。溫度，濕度，塵埃，是否存在腐蝕介質(zhì)等。（3）設(shè)備情況的分析 主要指的是材料的選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工制信水平及安裝、運(yùn)輸保

7、護(hù)措施等。（4）管理情況的分析 如缺乏適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)程序，保護(hù)措施不健全，輔助工作太差，使用的工具、設(shè)施不當(dāng)，沒有按規(guī)定的作業(yè)程序操作，缺乏嚴(yán)格的維修保養(yǎng)制度等。二）系統(tǒng)工程的分析思路及方法失效系統(tǒng)工程是把復(fù)雜的設(shè)備或系統(tǒng)和人的因素當(dāng)作一個(gè)統(tǒng)一體，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化工具，來研究設(shè)備或系統(tǒng)失效的原因與結(jié)果之間的邏輯聯(lián)系，并計(jì)算出設(shè)備或系統(tǒng)失效與部件之間的定量關(guān)系。失效系統(tǒng)工程分析法主要類型：（1）故障樹分析法（簡(jiǎn)稱FTA法）（2）特征因素圖分析法（3）事件時(shí)序樹分析法（簡(jiǎn)稱 ETA法）（4）故障率預(yù)測(cè)法（5）失效模式及后果分析法（簡(jiǎn)稱FMEA法）（6）模糊數(shù)學(xué)分析法三）數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析思路及方

8、法相關(guān)性：二、失效分析的一般程序 機(jī)械零件失效的情況是千變?nèi)f化的，分析的目的和要求也不盡相同，因而很難規(guī)度一個(gè)統(tǒng)一的分析程序。一般說來，大體上包括：1）調(diào)查失效事件的現(xiàn)場(chǎng)，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）綜合歸納所有信息并提出初步結(jié)論，5）重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)，6）確定失效原因并提出建議措施，7）寫出分析報(bào)告等內(nèi)容。 三、失效分析的步驟 l、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查（1）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)（2）查明事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及失效過程（3）收集殘骸碎片，標(biāo)出相對(duì)位置，保護(hù)好斷口。（4）選取進(jìn)一步分析的試樣，。（5）詢問且擊者及其他有關(guān)人員能提供的有關(guān)情況。（6）寫出現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告。 2、收集背景材料（1）設(shè)備的自然情況

9、 （2）設(shè)備的運(yùn)行記錄（3）設(shè)備的維修歷史情況（4）設(shè)備的失效歷史情況（5）設(shè)計(jì)圖紙及說明書，裝配程序說明書，使用維護(hù)說明書（6）材料選擇及其依據(jù)（7）設(shè)備主要零部件的生產(chǎn)流程（8）質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告及有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn) 3、技術(shù)參量復(fù)驗(yàn)（1）材料的化學(xué)成分（2）材料的金相組織及硬度（3）常規(guī)力學(xué)性能（4）主要零部件的幾何參量及裝配間隙4、深入分析研究（1）失效產(chǎn)品的直觀檢查（變形。損傷情況，裂紋擴(kuò)展，斷裂源）（2）斷口的宏觀分析及微觀形貌分析（多用掃描電鏡）（3）無損探傷檢查（渦流、著色、磁粉、同位素、X射線、超聲波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能譜）（5）局部或微區(qū)成分分析（輝光光譜、能譜、電

10、子探針）（6）相結(jié)構(gòu)分析（X射線衍射法）（7）斷裂韌性檢查，強(qiáng)度、韌性及剛度校核5、綜合分析歸納，推理判斷提出初步結(jié)論根據(jù)失效現(xiàn)場(chǎng)獲得的信息、背景材料及各種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、管理學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面的知識(shí)，進(jìn)行綜合歸納、推理判斷、分析后，初步確定失效模式并提出失效原因的初步意見和預(yù)防措施。6重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)重大事件：7撰寫失效分析報(bào)告失效分析報(bào)告與科學(xué)研究報(bào)告相比較，除了在應(yīng)寫得條理清晰、簡(jiǎn)明扼要、合乎邏輯方面相同外，二者在格式和側(cè)重點(diǎn)等許多方面都有所不同。失效分析側(cè)重于失效增況的調(diào)查、取證和驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過綜合歸納得出結(jié)論、而不著重探討失效機(jī)理，這就有別于斷裂機(jī)理的研究報(bào)告。

11、機(jī)械產(chǎn)品的失效分析報(bào)告通常應(yīng)包括的內(nèi)容（1）概述 首先介紹失效事件的自然情況：事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，失效造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡情況；受何部門或單位的委拓；分析的目的及要求；參加分析人員情況；起止時(shí)間等。（2）失效事件的調(diào)查結(jié)果 簡(jiǎn)明扼要地介紹失效部件的損壞情況。當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件及工況條件；當(dāng)事人和目擊者對(duì)失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有關(guān)的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)。（3）分析結(jié)果 為了尋找失效原因，采用何種方法和手段做了哪些分析工作、有何發(fā)現(xiàn)，按照認(rèn)識(shí)的自然過程一步步地介紹清楚。對(duì)于斷裂件的分析，斷口的宏觀和微觀分析、材料的選擇及冶金質(zhì)量情況分析，力學(xué)性能及硬度的復(fù)檢、制造工藝及服役條件的評(píng)

12、價(jià)等分析內(nèi)容通常是不可缺少的。（4）問題討論 必要時(shí)，對(duì)分析工作中出現(xiàn)的異常情況、觀點(diǎn)上的分歧、失效機(jī)理的看法等問題進(jìn)行進(jìn)一步的分析討論。（5）結(jié)論與建議 結(jié)論要準(zhǔn)確，建議要具體、切實(shí)可行。寫明遺留的問題、尚需進(jìn)一步觀察和驗(yàn)證的問題等。四、國(guó)際上比較公認(rèn)的分析程序材料失效的類型多種多樣，所以，進(jìn)行失效分析的思路和方法也不一樣。以金屬件為例，國(guó)際上比較公認(rèn)的分析步驟和順序是美國(guó)的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。這兩套分析程序?qū)嵸|(zhì)上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序說明如下： （一）失效情況的描述 以技術(shù)文件的形式記述失效的歷史情況。如失效的特征過程、失效件的原設(shè)計(jì)要求

13、以及失效件的使用情況和環(huán)境。特別是有關(guān)的照片資料和多媒體資料。 （二）裸眼觀察 失效件失效后的總體形貌應(yīng)記入上述文件，而且必須進(jìn)行斷口表面或其他重要的失效特征的保護(hù)，不得造成損害。 （三）機(jī)械設(shè)計(jì)分析（應(yīng)力分析） 當(dāng)失效件是重要的承重構(gòu)件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度分析（應(yīng)力分析），正確評(píng)估其承載能力或其他力學(xué)性能。這有助于確定失效件是否具有足夠的尺寸和合適的形狀，以滿足設(shè)計(jì)要求，從而可能找出失效的原因。 （四）化學(xué)成分設(shè)計(jì)分析 據(jù)此可考察材料的力學(xué)性能、工藝性能和抗腐蝕性能。 （五）制造過程及其各工藝環(huán)節(jié)分析 錯(cuò)誤的加工工藝過程往往是導(dǎo)致失效的主要原因，如不合格的原材料、各種熱加工工藝的錯(cuò)誤和機(jī)

14、加工、磨削的錯(cuò)誤等等。 （六）宏觀斷口形貌檢查 在裸眼和低倍放大下檢查斷口表面時(shí)，往往可以發(fā)現(xiàn)明顯的形貌特征，可按照斷裂特征和載荷性質(zhì)之間的關(guān)系來推斷斷裂的模式。 （實(shí)驗(yàn)二） （七）微觀斷口分析 包括斷口顯微形貌（斷口組織）試驗(yàn)和局部化學(xué)成分試驗(yàn)，以此確定斷裂機(jī)理。通常都是采用電子顯微鏡分析。 （實(shí)驗(yàn)三） （八）金相檢驗(yàn) 金相試樣的制備需在失效件上切片，這可能要求有關(guān)各方在切片前取得一致。金相檢驗(yàn)材料的顯微組織，有助于確認(rèn)熱處理的質(zhì)量情況，為失效原因提供證據(jù)。 （實(shí)驗(yàn)一） （九）性能檢驗(yàn) 性能檢驗(yàn)是與設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)，這種確定性能的試驗(yàn)通常是破壞性試驗(yàn)。在不允許對(duì)失效件做破壞性取

15、樣時(shí)，可以用硬度試驗(yàn)來推斷其力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度等。 （實(shí)驗(yàn)三） （十）失效分析 模擬失效原因，制作與失效件相同的構(gòu)件，使之在設(shè)計(jì)要求的真實(shí)工況下運(yùn)行。這是非常昂貴但卻可信的試驗(yàn)，只有在特殊需要下才做。 五、金相分析技術(shù)的應(yīng)用1、根據(jù)金相分析結(jié)果可以判斷熱處理生產(chǎn)工藝及其組織缺陷2、根據(jù)金相顯微組織照片可以知道構(gòu)件的破壞原因六、金相分析用設(shè)備1、光學(xué)顯微鏡觀察在鑄造、固溶態(tài)試樣及擠壓樣品的中心部位截取金相試樣，熱壓縮試樣的金相試樣沿平行于壓縮方向截取，試樣尺寸約為15×15×15mm。將截取的試樣在國(guó)產(chǎn)M-2型金相試樣預(yù)磨機(jī)上經(jīng)粗磨、精磨至、拋光至精拋光，達(dá)到樣品表面無劃痕

16、、污跡、拖尾的鏡面，將制備好的鏡面試樣侵蝕于4HNO3C2H5OH溶液（此為鎂合金，不同的材料，其腐蝕劑不同）中，在POLYVAR MET型金相顯微鏡下觀察在不同狀態(tài)下合金的組織。2、掃描電子顯微鏡觀察鑄態(tài)、固溶態(tài)、擠壓態(tài)合金的第二相的形態(tài)及其在基體中的分布通過Sirion 200場(chǎng)發(fā)射掃描電鏡上進(jìn)行觀察，對(duì)合金相的組成進(jìn)行能譜(EDX)分析，并觀察拉伸試樣的斷口形貌。3、透射電鏡觀察 用水磨砂紙和金相砂紙對(duì)鑄態(tài)、固溶態(tài)、擠壓態(tài)合金的透射電鏡試樣進(jìn)行機(jī)械減薄到70m左右，再分別沖裁成直徑為3mm的圓片用于離子減薄，離子減薄在Gantan691型離子減薄儀上進(jìn)行，其減薄時(shí)的工作條件為：轟擊電壓為

17、45kV，電流為0.3-0.4mA，入射角為6°-8°。在TECNAI G220型透射電鏡上進(jìn)行觀察分析，加速電壓為200kV。通過透射電鏡主要觀察合金晶粒形態(tài)、晶內(nèi)及晶界處位錯(cuò)組態(tài)、亞晶、亞晶內(nèi)位錯(cuò)、位錯(cuò)密度，合金第二相形態(tài)及其分布等等。七、案例分析1、鋼鐵合金1）相圖 139414951538Fe2）灰鑄鐵缸體斷裂失效分析3）灰鑄鐵輪轂的失效分析2、鋁合金1）相圖2）低壓鑄造鋁合金輪轂內(nèi)部缺陷探討3）高強(qiáng)度高耐磨性鋁硅合金的實(shí)驗(yàn)研究3、鎂合金1）相圖 2）金相圖片分析思考題：1、說明金相分析法在材料失效分析中的意義。2、分析低碳鋼（20）、中碳鋼（45）、高碳鋼（T10

18、）的平衡組織結(jié)構(gòu)，分析其對(duì)合金性能的影響。3、以鋁硅合金為例，從成分、組織和性能的關(guān)系出發(fā)，分析如何提高鋁合金的強(qiáng)度？實(shí)驗(yàn)二 零件失效的宏觀分析法（2學(xué)時(shí)） 宏觀分析主要用于分析斷口形貌。斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎(chǔ)。斷口的宏觀分析，能夠了解斷裂的全過程，因而有助于確定斷裂過程和構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，并有助于確定斷裂過程和斷裂應(yīng)力間的關(guān)系。斷口的宏觀分析，可以直接確定斷裂的宏觀表現(xiàn)及其性質(zhì)，即宏觀脆斷還是韌斷，并可確定斷裂源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴(kuò)展方向等?！?】實(shí)驗(yàn)的目的和要求1）目的通過宏觀分析法，讓學(xué)生了解宏觀分析法在材料失效分析中的重要作用。了解各種失效產(chǎn)品在進(jìn)行分析時(shí)其宏觀特征

19、。2）要求要求學(xué)生在熟悉和鞏固各種材料如鋼、鐵、鋁、鎂等合金的制備工藝特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，結(jié)合具體失效產(chǎn)品，分析其宏觀特征。【2】實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或原理軸、齒輪的失效分析。腐蝕構(gòu)件的失效分析。磨損件的失效分析?？捎糜趯?shí)例分析的構(gòu)件有：柴油機(jī)曲軸斷裂分析、扭力軸斷裂分析、工、模具斷裂分析、旋轉(zhuǎn)彎曲曲軸件斷裂分析、齒輪類零件失效分析、鑄鐵件開裂分析、鋁合金/鎂合金零件斷裂分析、環(huán)境致脆斷裂件分析、腐蝕、磨損件分析等。一、分析方法材料失效的類型多種多樣，所以，進(jìn)行失效分析的思路和方法也不一樣。以金屬件為例，國(guó)際上比較公認(rèn)的分析步驟和順序是美國(guó)的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。這兩套分析程序?qū)嵸|(zhì)上是相

20、同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序說明如下： （一）失效情況的描述 以技術(shù)文件的形式記述失效的歷史情況。如失效的特征過程、失效件的原設(shè)計(jì)要求以及失效件的使用情況和環(huán)境。特別是有關(guān)的照片資料和多媒體資料。 （二）裸眼觀察 失效件失效后的總體形貌應(yīng)記入上述文件，而且必須進(jìn)行斷口表面或其他重要的失效特征的保護(hù)，不得造成損害。 （三）機(jī)械設(shè)計(jì)分析（應(yīng)力分析） 當(dāng)失效件是重要的承重構(gòu)件時(shí)，應(yīng)進(jìn)行強(qiáng)度分析（應(yīng)力分析），正確評(píng)估其承載能力或其他力學(xué)性能。這有助于確定失效件是否具有足夠的尺寸和合適的形狀，以滿足設(shè)計(jì)要求，從而可能找出失效的原因。 （四）化學(xué)成分設(shè)計(jì)分析 據(jù)此可考察材料的力學(xué)

21、性能、工藝性能和抗腐蝕性能。 （五）制造過程及其各工藝環(huán)節(jié)分析 錯(cuò)誤的加工工藝過程往往是導(dǎo)致失效的主要原因，如不合格的原材料、各種熱加工工藝的錯(cuò)誤和機(jī)加工、磨削的錯(cuò)誤等等。 （六）宏觀斷口形貌檢查 在裸眼和低倍放大下檢查斷口表面時(shí)，往往可以發(fā)現(xiàn)明顯的形貌特征，可按照斷裂特征和載荷性質(zhì)之間的關(guān)系來推斷斷裂的模式。 （七）微觀斷口分析 包括斷口顯微形貌（斷口組織）試驗(yàn)和局部化學(xué)成分試驗(yàn)，以此確定斷裂機(jī)理。通常都是采用電子顯微鏡分析。 （八）金相檢驗(yàn) 金相試樣的制備需在失效件上切片，這可能要求有關(guān)各方在切片前取得一致。金相檢驗(yàn)材料的顯微組織，有助于確認(rèn)熱處理的質(zhì)量情況，為失效原因提供證據(jù)。

22、 （九）性能檢驗(yàn) 性能檢驗(yàn)是與設(shè)計(jì)所對(duì)應(yīng)的性能試驗(yàn)，這種確定性能的試驗(yàn)通常是破壞性試驗(yàn)。在不允許對(duì)失效件做破壞性取樣時(shí)，可以用硬度試驗(yàn)來推斷其力學(xué)性能，如屈服強(qiáng)度等。 （十）失效分析 模擬失效原因，制作與失效件相同的構(gòu)件，使之在設(shè)計(jì)要求的真實(shí)工況下運(yùn)行。這是非常昂貴但卻可信的試驗(yàn)，只有在特殊需要下才做。二、宏觀分析方法根據(jù)機(jī)械工程材料測(cè)試手冊(cè)，按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)鋼材斷口檢驗(yàn)方法和碳素鋼和低合金鋼斷口檢驗(yàn)方法規(guī)定,已經(jīng)納入上述標(biāo)準(zhǔn)的斷口有:(1)纖維狀斷口,(2)瓷狀斷口,(3)結(jié)晶狀斷口,(4)臺(tái)狀斷口.一） 斷口處理及斷口分析的任務(wù)斷口分析，是用肉眼、低倍放大鏡、實(shí)體顯微鏡、電子顯微鏡、電子探針、俄

23、歇電子能譜、離子探針質(zhì)譜等儀器設(shè)備，對(duì)斷口表面進(jìn)行觀察及分析，以便找出斷裂的形貌特征、成分特點(diǎn)及相結(jié)構(gòu)等與致斷因素的內(nèi)在聯(lián)系。斷口分析包括宏觀分析和微觀分析兩個(gè)方面。宏觀分析主要用于分析斷口形貌。微觀分析，既包括微觀形貌分析又包括斷口產(chǎn)物分析（如產(chǎn)物的化學(xué)成分、相結(jié)構(gòu)及其分布等）。在對(duì)斷口進(jìn)行分析以前必須妥善地保護(hù)好斷口并進(jìn)行必要的處理。斷裂的基本分類1） 延性斷裂與脆性斷裂斷裂前如有宏觀塑性變形延性斷裂斷裂前如無宏觀塑性變形脆性斷裂2） 穿晶斷裂與沿晶斷裂裂紋擴(kuò)展是穿過晶粒內(nèi)部的穿晶斷裂裂紋擴(kuò)展是沿著晶粒晶界的沿晶斷裂穿晶斷裂可分： 脆性斷裂穿過晶粒，沿晶體的解理面裂開，無塑性變形 延性斷裂

24、穿過晶粒，晶粒本身有明顯塑性變形1、斷口的處理（1）在干燥大氣中斷裂的新鮮斷口 防止銹蝕，防止手指污染斷口及損傷斷口表面；（2）對(duì)于斷后被油污染的斷口，要進(jìn)行仔細(xì)清洗。（3）在潮濕大氣中銹蝕的斷口。（4）在腐蝕環(huán)境中斷裂的斷口，在斷口表面通常覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物，這層腐蝕產(chǎn)物對(duì)分析致斷原因往往非常重要。 腐蝕產(chǎn)物的去除方法有化學(xué)法、電化學(xué)法及干剝法等。2、斷口分析的任務(wù)（l）確定斷裂的宏觀性質(zhì)。塑性斷裂/脆住斷裂/疲勞斷裂等。（2）確定斷口的宏觀形貌。纖維狀斷口/結(jié)晶狀斷口；有無放射線花樣及有無剪切唇等；（3）查找裂紋源區(qū)的位置及數(shù)量。裂紋源區(qū)的所在位置是在表面、次表面還是在內(nèi)部，裂紋源區(qū)是單個(gè)還

25、是多個(gè)，在存在多個(gè)裂草源區(qū)的情況下，它們產(chǎn)生的先后順序是怎樣的等；（4）確定斷口的形成過程。裂紋是從何處產(chǎn)生的，裂紋向何處擴(kuò)展，擴(kuò)展的速度如何等；（5）確定斷裂的微觀機(jī)制。解理型/準(zhǔn)解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；（6）確定斷口表面產(chǎn)物的性質(zhì)。斷口上有無腐蝕產(chǎn)物或其他產(chǎn)物，何種產(chǎn)物，該產(chǎn)物是否參與了斷裂過程等。二）斷口的宏觀分析方法斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎(chǔ)。斷口的宏觀分析，能夠了解斷裂的全過程，因而有助于確定斷裂過程和構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，并有助于確定斷裂過程和斷裂應(yīng)力（正應(yīng)力及切應(yīng)力）間的關(guān)系。斷口的宏觀分析，可以直接確定斷裂的宏觀表現(xiàn)及其性質(zhì)，即宏觀脆斷還是韌斷，并可確定斷裂

26、源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴(kuò)展方向等。生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢驗(yàn)的目的主要是：1）利用斷口來檢查鑄鐵件的白口情況，用于確定鑄件的澆注工藝；2）用斷口法檢查滲碳件滲層的厚度，以便確定滲碳件的出爐時(shí)間；3）用斷口法檢查高頻淬火件的淬硬層厚度，以便確定合理的感應(yīng)器設(shè)計(jì)及淬火工藝；4）用斷口法確定高速鋼的淬火質(zhì)量；5）用斷口法檢查鑄錠及鑄件的冶金質(zhì)量（如有無疏松、來雜、氣孔、折迭、分層、白點(diǎn)及氧化膜等）。 1、最初斷裂件的判斷分析對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的大型機(jī)組或是一組同類零件中的多個(gè)發(fā)生斷裂。（1）整機(jī)殘骸的失效分析整機(jī)殘骸的分析通常稱為殘骸的順序分析。即根據(jù)殘骸上的碰傷、劃痕及其破壞特征分析整機(jī)破壞的先后順序，由大部件

27、到小部件，再到單個(gè)零件，進(jìn)而對(duì)最初斷裂件的斷口作具體分析。（2）多個(gè)同類零件損壞的失效分析一組同類零件的幾個(gè)或全部發(fā)生損壞時(shí)，要判明事故原因需確定哪一個(gè)件先壞，這類分析也應(yīng)采用順序分析法。在對(duì)多個(gè)同類零件的損壞情況下，要根據(jù)損壞件的變形及損傷的嚴(yán)重程度來確定最初破斷件。（3）同一個(gè)零件上相同部位的多處發(fā)生破斷時(shí)的分析在同一個(gè)零件上，在其幾何結(jié)構(gòu)及受力情況完全相同的幾個(gè)部位均出現(xiàn)損壞的情況。必須首先搞清楚是哪個(gè)部位首先損壞。2、 主斷面（主裂紋）的宏觀判斷最初斷裂件找到后，緊接著的任務(wù)就是確定該斷裂件的主斷面或主裂紋。所謂主斷面就是最先開裂的斷裂面。主斷面上的變形程度、形貌特點(diǎn)，特別是斷裂源區(qū)的

28、分析，是整個(gè)斷裂事故分析中最重要的環(huán)節(jié)。1）利用碎片拼湊法確定主斷面2）按照“T”型匯合法確定主斷面或主裂紋 3）按照裂紋的河流花樣確定主裂紋 碎片拼湊法確定主斷面 “T”型匯合法確定主斷面或主裂紋 裂紋的河流花樣確定主裂紋 3、 斷裂（裂紋）源區(qū)的宏觀判斷主斷面（主裂紋）確定后，斷裂分析的進(jìn)一步工作是尋找裂紋源區(qū)。裂紋源區(qū)是斷裂破壞的宏觀開始部位。尋找裂紋源區(qū)不僅是斷裂宏觀分析中最核心的任務(wù)，而且是光學(xué)顯微分析和電子顯微分析的基礎(chǔ)。 1）利用斷口上的“三要素”特征確定裂紋源區(qū) 2）利用斷口上的“人”字紋特征確定裂紋源區(qū) 3）根據(jù)斷口上的放射花樣確定裂紋源區(qū) 4）根據(jù)斷口上的“貝紋”線確定裂紋

29、源區(qū) 5）將斷開的零件的兩部分相匹配，則裂縫的最寬處為裂紋源6）根據(jù)斷口上的色彩程度確定裂紋源區(qū) 氧化色 4、宏觀斷口的表觀現(xiàn)象與致斷原因初判 1）斷裂源區(qū)和零件幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)系斷裂源區(qū)可能發(fā)生在零件的表面、次表面或內(nèi)部。對(duì)于塑性材料的光滑試件（零件），在單向拉伸狀態(tài)下，斷裂源在截面的中心部位屬于正常情況。為防止零件出現(xiàn)此種斷裂，應(yīng)提高材料的強(qiáng)度水平或加大零件的幾何尺寸。表面硬化件發(fā)生斷裂時(shí)，斷裂源可能發(fā)生在次表層，為防止此類零件的斷裂，應(yīng)加大硬化層的深度或提高零件的心部硬度。除上述兩種情況外，斷裂源區(qū)一般發(fā)生在零件的表面。零件的尖角、凸臺(tái)、缺口、刮傷及較深的加工刀痕等應(yīng)力集中處。為防止此類破

30、壞顯然應(yīng)從減小應(yīng)力集中方面入手。2）斷裂源區(qū)與零件最大應(yīng)力截面位置的關(guān)系斷裂源區(qū)的位置一般應(yīng)與最大應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)。如果不一致則表明零件的幾何結(jié)構(gòu)存在某種缺陷或工作載荷發(fā)生了變化，但更為常見的情況是材料的組織狀態(tài)不正常（如材料的各向異性現(xiàn)象嚴(yán)重）或存在著較嚴(yán)重的缺陷（如鑄造缺陷、焊接裂紋、鍛造折迭）等情況。例如，承受單向扭轉(zhuǎn)工作載荷的軸件，其斷口的宏觀形貌，按其與最大應(yīng)力之關(guān)系可能有以下幾種情況： （a）斷口表面與最大正應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)，即斷口與軸線呈45°螺旋狀。此種類型的斷裂為宏觀脆性斷裂，通常是由材料的脆性過大或韌塑性不足引起的。通過改變零件的熱處理工藝，適當(dāng)提高回火溫度則

31、有助于減少零件的此類斷裂。（b）斷口的表面與最大切應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)，即斷口平面與軸線垂直或平行。此種類型的斷裂為宏觀韌性的斷裂，通常是由材料的強(qiáng)度或硬度不足引起的。適當(dāng)降低零件的回火溫度，則有助于零件使用性能的改善。上述兩種情況均表示材料的組織均勻性未出現(xiàn)太大問題。在此種情況下，如果調(diào)整熱處理工藝難以避免上述兩種斷裂，則應(yīng)提高材料的強(qiáng)韌性級(jí)別或者適當(dāng)加大零件的幾何尺寸。（c）斷口表面與軸線的夾角遠(yuǎn)小于45° ，即斷口表面既不和最大正應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)也不和最大切應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)。換句話說，該斷裂面是在較小的應(yīng)力條件下形成的。由此可以推知，材料的各向異性現(xiàn)象比較嚴(yán)重，橫向性能比較差

32、。通常是由材料中的塑性夾雜物比較多及鍛造流線沿軸向分布顯著等因素引起的。 3）斷裂是從一個(gè)部位產(chǎn)生的還是從幾個(gè)部位產(chǎn)生的，是從局部部位產(chǎn)生的還是從很大范圍內(nèi)產(chǎn)生的。通常的情況是，應(yīng)力數(shù)值較小或應(yīng)力狀態(tài)較柔時(shí)易從一處產(chǎn)生，應(yīng)力數(shù)值較大或應(yīng)力狀態(tài)較硬時(shí)易從多處產(chǎn)生；由材料中的缺陷及局部應(yīng)力集中引起的斷裂，裂紋多從局部產(chǎn)生；存在大尺寸的幾何結(jié)構(gòu)缺陷引起的應(yīng)力集中時(shí)，裂紋易從大范圍內(nèi)產(chǎn)生。承受旋轉(zhuǎn)彎曲的軸件可能產(chǎn)生以下幾種類型的斷裂：（a）裂紋源于表面一處或兩處（基本對(duì)稱，但稍有偏轉(zhuǎn)）這是最為常見的斷裂形式。其產(chǎn)生原因是由于表面拉應(yīng)力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在無明顯缺陷存在的情況下

33、，正常的斷裂（由材料性質(zhì)及軸件的幾何尺寸和載荷性質(zhì)來決定）也呈此種斷裂形式；（b）裂紋源于次表面某處。次表面的拉應(yīng)力小于表面，其所以成為起裂點(diǎn)，必然存在有較大的缺陷；（c）裂紋源于整個(gè)表面向內(nèi)擴(kuò)展導(dǎo)致的斷裂。其斷裂原因一般是由于軸件存在有變截面且其應(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重所致，如此處為直角過渡的情況。 4）斷口表面的粗糙度斷口表面的粗糙度在很大程度上可以反映斷裂的微觀機(jī)制并有助于斷裂性質(zhì)及致斷原因的判斷。如粗糙的纖維狀多為微孔聚集型的斷裂機(jī)制，且孔坑粗大，塑變現(xiàn)象嚴(yán)重；瓷狀斷口多為準(zhǔn)解理或脆性的微孔斷裂，塑變現(xiàn)象極小，孔坑小、淺、數(shù)量極多；粗、細(xì)晶粒狀為沿晶斷裂；鏡面反光現(xiàn)象明顯的結(jié)晶狀斷口為解理斷裂

34、；表面較平整多為穿晶斷裂，凹凸不平多為沿晶斷裂等。 5）斷口的邊緣情況觀察斷口的邊緣有無臺(tái)階、毛刺、剪切唇和宏觀塑性變形等，將有助于分析裂紋源區(qū)的位置、裂紋擴(kuò)展方向及斷裂的性質(zhì)等問題。因?yàn)殡S著裂紋的擴(kuò)展，零件的有效面積不斷減小，使實(shí)際載荷不斷增加。對(duì)于塑性材料來說，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)的塑性變形不斷加大，依此即可確定裂紋的擴(kuò)展方向。例如，一裂紋順著一排鉚釘孔擴(kuò)展，最先擴(kuò)展的裂紋孔基本不變形是圓形的，而后的裂紋孔將依次加大變形成為非圓形的孔，裂紋的擴(kuò)展方向則是由圓孔指向非圓孔。在斷口的表面沒有其它特殊花樣存在的情況下，利用斷口邊緣的情況往往是判斷裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展方向的唯一的和可靠的方法。6

35、）斷口上的冶金缺陷注意觀察斷口上有無夾雜、分層、粗大晶粒、疏松、縮孔等缺陷。有時(shí)依此可以直接確定斷裂原因。三、宏觀斷口實(shí)例分析1、鑄鐵件1）HT2502）20CrMnTi傘齒輪淬火后校直時(shí)斷裂 3）30鋼玻璃機(jī)道軌滲碳鹽浴淬火斷裂30鋼玻璃機(jī)道軌滲碳鹽浴淬火斷裂20CrMnTi傘齒輪淬火后校直時(shí)斷裂 2、鑄鋁件（ZL105） 思考題：1、描述HT250合金鑄件的的宏觀特征，分析其失效原因。2、描述20CrMnTi傘齒輪淬火后校直時(shí)斷裂的宏觀特征，分析其失效原因。3、描述30鋼玻璃機(jī)道軌滲碳鹽浴淬火斷裂的宏觀特征，分析其失效原因。4、描述汽車葉輪鑄鋁件（ZL105）的宏觀特征，分析其失效原因。實(shí)

36、驗(yàn)三 靜載荷作用下的金屬材料斷裂失效斷口分析（2學(xué)時(shí)）通過斷口分析，可以判斷斷裂失效的裂紋起源與裂紋擴(kuò)張的途徑，判斷斷裂的性質(zhì)，反反推斷裂載荷的類型和大小、材料的性質(zhì)、大致的環(huán)境，推斷失效的原因是：設(shè)計(jì)的原因；材質(zhì)的原因；工藝的原因和環(huán)境的原因等。通過實(shí)例來說明斷口分析的應(yīng)用，以體現(xiàn)不同的斷裂類型具有不同有形貌特征?！?】實(shí)驗(yàn)的目的和要求1）目的通過斷口分析法，讓學(xué)生了解靜載荷作用下的金屬材料斷裂時(shí)韌性斷口和脆性斷口的特征。2）要求要求學(xué)生在熟悉和鞏固韌性和脆性材料的應(yīng)力-應(yīng)變特點(diǎn)，熟悉相關(guān)檢測(cè)設(shè)備的工作原理，通過實(shí)驗(yàn)，判斷失效零件的宏觀和微觀特征。【2】實(shí)驗(yàn)內(nèi)容或原理拉伸斷口形貌觀察。三要素

37、；斷口宏/微觀形貌及其特征；裂源及裂紋擴(kuò)展方向。通過實(shí)際失效件及其斷口的宏觀分析，掌握最初斷裂件的判斷、主裂紋（主斷面）的判斷方法。一、基本理論一）斷口三要素的內(nèi)容與特點(diǎn)光滑園柱形試樣的拉伸變形過程：均勻變形縮頸斷裂（杯錐狀斷口）三要素：纖維狀區(qū)（fibrous zone）;放射狀區(qū)（radial zone）;剪切唇區(qū)（shear lip）纖維區(qū)：位于斷口中央，與外加應(yīng)力垂直，呈粗糙的纖維狀園環(huán)形花樣； 暗灰色，?？捎^察到顯微空洞和鋸齒狀； 其底部晶粒被拉長(zhǎng)象纖維一樣，為裂紋萌生區(qū)放射區(qū)：具有放射花樣特征（脆斷特征） 放射線的發(fā)散或收斂方向?yàn)榱鸭y擴(kuò)展方向 纖維區(qū)與放射區(qū)交界線標(biāo)志著裂紋由穩(wěn)定

38、擴(kuò)展向快速擴(kuò)展（失穩(wěn)擴(kuò)展的轉(zhuǎn)化）剪切唇：表面較光滑，與拉應(yīng)力方向呈45° 切斷區(qū)域，有金屬光澤，呈灰色鵝毛狀二）斷口三要素的分布類型F、R、SF、S160光滑園柱拉伸試樣斷口R、S低合金鋼在160條件拉伸或沖擊斷口S純剪切型斷口或薄板拉伸斷口三）影響因素1、試驗(yàn)溫度 T ， F S R2、試樣尺寸 t，F(xiàn) S R3、試樣形狀四）斷口三要素的應(yīng)用根據(jù)斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴(kuò)展方向裂紋源的確定：利用纖維區(qū)，通常情況裂源位于纖維區(qū)的中心部位，因此找到纖維區(qū)的位置就找到了裂源的位置；利用放射區(qū)形貌特征，一般情況下，放射條紋的收斂處為裂源位置；根據(jù)剪切唇形貌特征來判斷，通常情

39、況下裂紋處無剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。裂紋擴(kuò)展方向的確定：纖維區(qū)指向剪切唇放射條紋的發(fā)散方向板狀樣呈現(xiàn)人字紋（chevron pattern） 其反方向?yàn)?源擴(kuò)展方向五）斷裂過程裂紋形成裂紋擴(kuò)展：亞穩(wěn)擴(kuò)展（亞臨界擴(kuò)展階段） 失穩(wěn)擴(kuò)展裂紋擴(kuò)展兩階段：亞穩(wěn)擴(kuò)展：裂紋自形成而擴(kuò)展至臨界長(zhǎng)度的過程特點(diǎn)：擴(kuò)展速度慢，停止加載，裂紋停止擴(kuò)展 裂紋總是沿需要消耗擴(kuò)展功最小的路徑，條 件不同，亞穩(wěn)擴(kuò)展方式、路徑、速度也各不相同失穩(wěn)擴(kuò)展：裂紋自臨界長(zhǎng)度擴(kuò)展至斷裂特點(diǎn)：速度快，最大可達(dá)聲速； 擴(kuò)展功小，消耗的能量小； 危害性大，總是脆斷二、材料的拉伸實(shí)驗(yàn) 拉伸試驗(yàn)是檢驗(yàn)金屬材料力學(xué)性能普遍

40、采用的一種極為重要的基本試驗(yàn)。金屬的力學(xué)性能可用強(qiáng)度極限b、屈服極限s、延伸率、斷面收縮率和沖擊韌度k五個(gè)指標(biāo)來表示。它是機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的主要依據(jù)。在機(jī)構(gòu)制造和建筑工程等許多領(lǐng)域，有許多機(jī)械零件或建筑構(gòu)件是處于受拉狀態(tài)，為了保證構(gòu)件能夠正常工作，必須使材料具有足夠的抗泣強(qiáng)度，這就需要測(cè)定材料的性能指標(biāo)是否符臺(tái)要求，其測(cè)定方法就是對(duì)材料進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，因此，金屬材料的拉伸試驗(yàn)及測(cè)得的性能指標(biāo)，是研究金屬材料各種使用條件下，確定其工作可靠性的主要工具之一，是發(fā)展新金屬材料不可缺少的重要手段，所以拉伸試驗(yàn)是測(cè)定材料力學(xué)性能的一個(gè)基本試驗(yàn)。1）觀察碳鋼、鑄鐵在拉抻過程中的各種現(xiàn)象，繪制拉伸圖(PL圖)由此了解

41、試件變形過程中變形隨荷載變化規(guī)律，以及有關(guān)的一些物理現(xiàn)象。 2）觀察斷口，比較低碳錒和鑄鐵兩種材料的拉伸性能。 1、試驗(yàn)設(shè)備儀器及量具 2、試件 金屬材料拉伸試驗(yàn)常用圓形試件。為了使實(shí)驗(yàn)測(cè)得數(shù)據(jù)可以互相比較，試件形狀尺寸必須按國(guó)家桶準(zhǔn)的規(guī)定制造成標(biāo)準(zhǔn)試件。如因材料尺寸限制等特殊情況下能做成標(biāo) 準(zhǔn)試件時(shí)，應(yīng)按規(guī)定做成比例試件。圓形截面標(biāo)準(zhǔn)試件和比例試件的國(guó)標(biāo)規(guī)定。對(duì)于板材可制成矩形截面。園形試件標(biāo)距L。和直徑之比，長(zhǎng)試件為L(zhǎng)odo10， 材料的機(jī)械性能指標(biāo)s、b、是由拉伸破壞實(shí)驗(yàn)來確定的，實(shí)驗(yàn)時(shí)萬能材料試驗(yàn)機(jī)自動(dòng)給出載荷與變形關(guān)系的拉伸圖(PL圖)如圖2所示，觀察試樣和拉伸圖可以看到下列變形過程。 1、彈性階段 OA 2、屈服階段 BC 3、強(qiáng)化階段 CD 4、頸縮階段 DE 由實(shí)驗(yàn)可知彈性階段卸荷后，試樣變形立即消失，這種變形是彈性變形。當(dāng)負(fù)荷增加到一定值時(shí)，測(cè)力度盤的指針停止轉(zhuǎn)動(dòng)或來回?cái)[動(dòng)，拉伸圖上出現(xiàn)了鋸齒平臺(tái)，即荷載不增加的情況下，試樣繼續(xù)伸長(zhǎng)，材料處在屈服階段。此吁