材料失效分析試題與答案

試用一個(gè)經(jīng)典的案例說(shuō)明材料失效分析與基礎(chǔ)學(xué)科及應(yīng)用學(xué)科之間的關(guān)系（不少于400字，配圖片）答：材料失效分析的經(jīng)典案例：醇胺貧富液換熱器列管腐蝕穿漏表面觀察：管內(nèi)外表面均可見(jiàn)棕色表面覆蓋層，在沒(méi)有坑洞的表而用銼刀輕輕銼一下能看見(jiàn)銀白色的金屬光澤，說(shuō)明均勻腐蝕輕微。嚴(yán)重腐蝕區(qū)的管子外表面分布很多凹坑，深淺不一，有些凹坑已穿透管壁厚，大多凹坑為敞口橢園截面坑洞。拉桿套管的腐蝕損壞比換熱管更嚴(yán)重。根據(jù)這個(gè)圖片和實(shí)物可以通過(guò)以下方法分析材料的失效：1）.管材的化學(xué)成分測(cè)定2）.換熱管的金相分析4）.腐蝕原因分析結(jié)果討論：材料的斷裂和腐蝕是材料失效中最常見(jiàn)的兩種形式。這兩種失效在工程實(shí)際中經(jīng)常會(huì)造成極大的破壞和損失。分析和判斷出材料失效的原因，同時(shí)找出有效的預(yù)防措施，防止類似的失效重復(fù)發(fā)生，是工程實(shí)際中經(jīng)常遇到的難題。材料失效分析需要應(yīng)用機(jī)械、力學(xué)、物理、化學(xué)、數(shù)學(xué)、電子技術(shù)等多方面知識(shí)，需要借助現(xiàn)代分析測(cè)試技術(shù)，從宏觀到微觀，從定性到定量，從單項(xiàng)到綜合的系統(tǒng)性分析。上述圖片實(shí)例也充分說(shuō)明了在對(duì)材料失效分析時(shí)需要用到很多的基礎(chǔ)學(xué)科，尤其是物理和化學(xué)。而且在應(yīng)用學(xué)科方面如現(xiàn)代顯微測(cè)試技術(shù)等都是具有很好的代表性。材料的失效分析離不開這些學(xué)科！要做好材料的失效分析我們就應(yīng)該在實(shí)踐的基礎(chǔ)上將學(xué)科的知識(shí)和一些先進(jìn)技術(shù)相結(jié)合應(yīng)用！試用兩個(gè)實(shí)際的失效案例說(shuō)明材料失效分析的重要意義（要求既有文字說(shuō)明，又有圖片說(shuō)明，文字不少于800字）答：發(fā)生在我們生活中的材料失效的案例很多，材料的失效也有很多的類型，不同的材料在不同的外界環(huán)境，使用環(huán)境和其本身的性質(zhì)會(huì)使失效的形式也會(huì)不一樣。下面是兩個(gè)實(shí)際的材料失效的案例：

實(shí)例一:圖1:曲軸及斷裂部位進(jìn)口萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋貨輪主機(jī)曲軸斷裂如上圖曲軸及斷裂部位材料的背景資料：1）主機(jī)參數(shù):額定功率為8820kW，單缸功率為735kW，最高轉(zhuǎn)速480r/min，常用轉(zhuǎn)速400r/min；2）曲軸參數(shù)：材料相當(dāng)于35CrMoA（中國(guó)），軸頸6=400mm，質(zhì)量約15t；3）質(zhì)量要求：曲軸整體鍛造，調(diào)質(zhì)后才可交付使用（按規(guī)定）。

4）使用情況：船已使用十年，但主機(jī)只運(yùn)轉(zhuǎn)30900h。例2進(jìn)口萬(wàn)噸級(jí)遠(yuǎn)洋貨輪主機(jī)曲軸斷裂曲軸在近功率輸出端第二曲臂處斷裂成兩截！失效材料的表面分析：表面觀察圖2斷口宏觀形貌0.1X斷口宏觀形貌見(jiàn)圖2,斷裂為典型的疲勞斷裂，疲勞臺(tái)階及貝紋線清晰可見(jiàn)，并且有多個(gè)疲勞源區(qū)；主疲勞源處于曲臂表面兩側(cè)和主軸頸相連的過(guò)渡圓弧箭頭1所指R位置，另一疲勞源是在箭頭3所指R置；根據(jù)斷口顏色疲勞區(qū)形成的先后順序?yàn)?區(qū)一3區(qū)一4區(qū)和5圖2圖2斷口宏觀形貌瞬斷區(qū)僅占斷面的5%。測(cè)試及失效原因分析：1）.性能測(cè)試曲頸材料的os為制造廠確認(rèn)值的60%左右；ob為確認(rèn)值的75%左右；KIC為35CrMo鋼在調(diào)質(zhì)狀態(tài)下公認(rèn)值的74%；沖擊韌性值偏低，ak=400kPa?m。說(shuō)明斷裂曲軸未經(jīng)良好的調(diào)質(zhì)處理。2）.金相分析取樣部位：曲軸頸部、頸部與曲臂過(guò)渡區(qū)R處★組織均為鐵索體+珠光體（各占50%）+沿晶網(wǎng)狀碳化物（如圖3）,說(shuō)明R處未經(jīng)調(diào)質(zhì)處理。結(jié)論1）曲軸斷裂屬典型的高周次低應(yīng)力的彎曲疲勞斷裂；2）斷裂失效的根本原因是材質(zhì)熱處理不良，35CrMoA應(yīng)調(diào)質(zhì)處理，但曲頸從表面到中心都是退火組織；曲柄從表面往心部約20mm是回火索氏體，而心部也是退火組織。3）曲軸強(qiáng)度達(dá)不到制造廠確認(rèn)值（低25%?40%）,圖3R處的金相組織1200X制造廠確認(rèn)的os和。圖3R處的金相組織1200X4）除強(qiáng)度低外，內(nèi)部冶金缺陷也比較多，碳化物沿晶成網(wǎng)狀分布；木紋狀斷口；材料含氫量較高的魚眼斷口等都說(shuō)明曲軸的脆斷傾向性加大。綜上所述，曲軸的強(qiáng)度低，內(nèi)部冶金缺陷多，脆斷傾向增大，最終導(dǎo)致曲軸疲勞斷裂。實(shí)例二：某型號(hào)面包車半軸發(fā)生斷裂:某型號(hào)面包車正常行駛256km后，半軸發(fā)生斷裂口:圖4分析：取樣、觀察和測(cè)試：在凸緣與桿連接的軸臺(tái)階轉(zhuǎn)角處起裂，并向內(nèi)擴(kuò)展至軸的中心部位最后斷裂。整個(gè)斷口呈斜坡狀，未見(jiàn)明顯塑性變形，斷面顏色為暗灰色，靠近斷裂源的斷面較平整，宏觀可見(jiàn)明顯的貝紋線，具有疲勞斷裂特征，為裂紋擴(kuò)展區(qū)；其余斷面呈纖維狀，凹凸變化較大，具有塑性斷裂特征，為最后的瞬斷區(qū)。經(jīng)過(guò)一些實(shí)驗(yàn)設(shè)備的測(cè)試及結(jié)果我們可以得到以下結(jié)論：主要原因是半軸凸緣與桿連接的軸臺(tái)階處表面存在脫碳層，在高的扭轉(zhuǎn)疲勞剪應(yīng)力作用于形成裂紋源；40Cr鋼中含有較多的大尺寸非金屬夾雜物；此外，熱處理工藝不當(dāng)，中頻感應(yīng)淬火溫度偏高且回火不足，使材料的綜合力學(xué)性能變差，使表面萌生的裂紋在應(yīng)力作用下迅速擴(kuò)展，導(dǎo)致半軸發(fā)生早期疲勞斷裂。實(shí)例一，二說(shuō)明材料失效分析對(duì)失效發(fā)生后有著分析并找出導(dǎo)致這個(gè)結(jié)果發(fā)生的原因，然后對(duì)以后的材料的設(shè)計(jì)有著指導(dǎo)和警示作用并可以提高材料的使用性能。所以材料失效分析對(duì)于我們了解材料的性能以及對(duì)材料做出預(yù)測(cè)和使用壽命，預(yù)防事故的發(fā)生有著重要的意思。請(qǐng)總結(jié)材料失效分析技術(shù)與本專業(yè)有關(guān)課程的關(guān)系，以及如何才能做一個(gè)合格的失效分析工程師（不少于300字）答：失效分析是一項(xiàng)極其復(fù)雜的研究工作，涉及多方面的因素。對(duì)于失效分析人員來(lái)說(shuō)顯然不能“胡子眉毛一把抓”，必須根據(jù)失效背景材料制定失效分析計(jì)劃或方案。在進(jìn)行失效分析時(shí)，必須占有大量的和豐富的失效背景材料和有關(guān)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)或結(jié)果等，這是失效分析的基礎(chǔ)。在這個(gè)基礎(chǔ)上，對(duì)材料、數(shù)據(jù)、結(jié)果等進(jìn)行加工、整理、分析和綜合，才能揭示出失效的性質(zhì)和找出失效的規(guī)律。沒(méi)有這些基礎(chǔ)，一切均無(wú)從說(shuō)起。由此可見(jiàn)，收集失效背景材料在整個(gè)失效分析中所占的地位之重要，就如同成炊之米。在分析研究零件或構(gòu)件失效時(shí)，調(diào)查研究事故全過(guò)程是很花費(fèi)時(shí)間的，有時(shí)失效分析人員不能或不可能到失效現(xiàn)場(chǎng)去。在這種情況下，失效背景材料和失效樣品可以由現(xiàn)場(chǎng)工程人員或其他工作人員在現(xiàn)場(chǎng)收集?，F(xiàn)場(chǎng)情況報(bào)告和檢驗(yàn)記錄等均可作為失效分析的依據(jù)或參考資料。失效分析是一門綜合性的邊緣學(xué)科它涉及到很多專業(yè)或?qū)W科，而失效分析人員所學(xué)的專業(yè)或?qū)W科僅是一種或二種，若想得到確切的失效原因，失效分析人員必須要不斷地學(xué)習(xí)和提高失效分析技術(shù)與方法。收集失效背景材料的過(guò)程，就是失效分析人員的學(xué)習(xí)和提高的過(guò)程。通過(guò)收集失效背景材料的過(guò)程，可以掌握和了解失效零件或構(gòu)件的功能、原理、運(yùn)行等情況，所以說(shuō)，它也是促進(jìn)人才成長(zhǎng)的重要因素?？傊藗円M(jìn)行失效分析，首先必須收集失效背景材料。它是失效分析中最繁瑣最復(fù)雜的一個(gè)階段，是失效分析活動(dòng)中具有戰(zhàn)略意義的第一步。只有對(duì)這個(gè)問(wèn)題有了