失效分析基本方法课件.ppt
105页
1思想方法思想方法 3.1.13.1.1失效分析的思想方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法1 1、整体观念原则2 2、从现象到本质的原则 3 3、动态原则 4 4、一分为二原则（两分法原则）5 5、纵横交汇原则（立体性原则）第一，尽可能采用比较方法第二，历史方法 第三，逻辑方法 2概况1您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后概况2您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后概况3您的内容打在这里，或者通过复制您的文本后整体概况 3相关性方法相关性方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3.1.2 3.1.2 相关性分析的思路及方法 一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中 1.1.按照失效件制造的全过程及使用条件 的分析方法2. 2. 根据产品的失效形式及失效模式分析 的思路及方法3. “3. “四M”M”分析思路及方法 4全程方法全程方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法1 1．按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法（1）审查设计 如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。
2）材料分析 材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等 5全程方法全程方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法1 1．按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法（3）加工制造缺陷分析 铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等4）使用及维护情况分析 超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等 6基本方法基本方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法2. 2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法 较为常用的分析方法一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因 7四四MM方法方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3. 3. “四M M”分析思路及方法 所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。
对于一个比较复杂的系统常采用此种方法依此分别进行如下四方面的分析工作 8四四MM方法方法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3. 3. “四M M”分析思路及方法（1）人员情况的分析（2）环境情况的分析（3）设备情况的分析（4）管理情况的分析 9系统工程法系统工程法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3.1.3 3.1.3 失效系统工程分析法 失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系 10主要类型主要类型3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法1 1 失效系统工程分析法主要类型：（1 1）故障树分析法（简称FTAFTA法）（2 2）特征—因素图分析法（3 3）事件时序树分析法（简称 ETAETA法）（4 4）故障率预测法（5 5）失效模式及后果分析法（简称FMEAFMEA法）（6 6）模糊数学分析法 11故障树法故障树法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法2 2．故障树分析法 基本概念 故障树分析法是美国委记贝尔研究所于19611961年首先提出来的。
故障树分析的概念来自数学图论中树的概念和计算机算法符号在分析中把分析的设备叫做系统，把组成该设备的零件叫组元零件的工作状态用一些参数（压力、温度、流量）来描述 每种零件都处于两种状态（完好与失效）中的一种因此，设备也处于两种状态中的一种：正常或失效所谓故障树分析就是分析各种事件（系统组元的状态变化）之间的逻辑关系，分清正常事件和异常事件（失效事件），再找出失效原因 12故障树法故障树法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法工作程序q 确定不希望发生的事件（上端事件）；q 对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进 行分析；q 采用手工或计算机合成故障树；q 求出能使上端事件发生的必要且充分的最小数目 的基本事件的集合；q 收集计算时必须的故障率数据；q 计算上端事件发生的概率；q 对基本事件的重要度作评价；q 分析计算结果，提出改进措施 13故障树法故障树法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法所用符号 故障树是一种逻辑图，是根据一定的逻辑方式把一些特殊符号连接起来的树形图。
通常在故障树中出现的符号大体上可分为逻辑门符号、故障事件符号和其它符号三类故障树的合成 根据系统及其故障的已知数据和资料，绘制故障树在采用手工合成故障树时，一边反复提出问题一边对树进行展开对各个门事件提出的问题是：该事件是由于单一组元的故障引起的，还是由另外什么组元的故障引起的？引起该事件的必要且充分故障是什么？将图展开到基本事件（原因）或没有必要再发展的事件为止 14故障树法故障树法 符号3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法 15故障树例故障树例3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法 如图是一个冷却剂的供应系统，该系统是由恒速泵、热交换器、控制阀、蓄水池及管道五个组元组成的该系统的作用是对主要设备供应足够的冷却剂因此，流到热交换器的冷却剂最少则为故障树的上端事件为分析其失效原田而绘制故障树 例 16故障树例故障树例3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法 17定义与特征定义与特征3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法 18故障树例故障树例3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法各底事件发生概率的均值及其左右分布 事件事件 均值均值mm 分布分布 、、 事件事件 均值均值mm 分布分布 、、 事件事件 均值均值mm 分布分布 、、 x x1 1 0.0002 5.034 0.0002 5.034 1010-5-5 x x7 7 0.0002 5.034 0.0002 5.034 1010-5-5 x x1313 0.00001 0.00001 2.5172.517 1010-6-6 x x2 2 0.0010 2.517 0.0010 2.517 1010-4-4 x x8 8 0.0002 5.034 0.0002 5.034 1010-5-5 x x1414 0.00001 0.00001 2.5172.517 1010-6-6 x x3 3 0.0030 7.551 0.0030 7.551 1010-4-4 x x9 9 0.0010 2.517 0.0010 2.517 1010-4-4 x x15 15 0.0001 0.0001 2.5172.517 1010-5-5 x x4 4 0.0004 1.007 0.0004 1.007 1010-4-4 x x1010 0.0009 2.265 0.0009 2.265 1010-4-4 x x16 16 0.0001 0.0001 2.5172.517 1010-5-5 x x5 5 0.0007 1.762 0.0007 1.762 1010-4-4 x x1111 0.0020 5.034 0.0020 5.034 1010-4-4 x x17 17 0.0001 0.0001 2.5172.517 1010-5-5 x x6 6 0.0006 1.510 0.0006 1.510 1010-4-4 x x1212 0.0010 2.517 0.0010 2.517 1010-4-4 x x1818 0.0001 0.0001 2.5172.517 1010-5-5 G G1818 0.0002 5.033 0.0002 5.033 1010-5-5 G G1717 0.0004 1.006 0.0004 1.006 1010-4-4 TOP 0.0060 TOP 0.0060 1.5061.506 1010-3-3 G G6 6 0.0075 1.881 0.0075 1.881 1010-3-3 G G4 4 0.0075 1.881 0.0075 1.881 1010-3-3 19数理统计法数理统计法3.1 3.1 3.1 3.1 失效分析的思路及方法失效分析的思路及方法3 数理统计分析思路及方法 巴特雷图相关性分析灰色关联分析 20程序步骤程序步骤 3.2.1 3.2.1 分析程序的意义 3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤 失效分析是一项复杂的技术工作，它不仅要求失效分析工作人员具备多方面的专业知识，而且要求多方面的工程技术人员，操作者及有关的科学工作者的相互配合，才能圆满地解决问题。
因此，如果在分析以前没有设计出一个科学的分析程序和实施步骤，往往就会出现工作忙乱、漏取数据、工作缓慢或走弯路，甚至把分析时步骤搞颠倒，使某些应得的信息被另一提前的步骤给毁掉了 首先制定一个科学的分析程序，是保证失效分析工作顺利而有效进行的前提条件 21程序步骤程序步骤3.2.2 3.2.2 失效分析的一般程序 一般说来，大体上包括：q 调查失效事件的现场q 收集背景材料q 深入研究分析q 综合归纳所有信息并提出初步结论q 重现性试验或证明试验q 确定失效原因并提出建议措施q 写出分析报告等内容 3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤 22现场调查现场调查3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤l l、现场调查（1）保护现场（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口（4）选取进一步分析的试样（5）询问目击者及其他有关人员能提供的有关情况（6）写出现场调查报告 23收集材料收集材料2收集背景材料3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤（1）设备的自然情况（2）设备的运行记录（3）设备的维修历史情况（4）设备的失效历史情况（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用 维护说明书（6）材料选择及其依据（7）设备主要零部件的生产流程（8）质量检验报告及有关的规范和标准 24技术参量技术参量3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤3技术参量复验（1）材料的化学成分（2）材料的金相组织及硬度（3）常规力学性能（4）主要零部件的几何参量及装配间隙 25深入研究深入研究3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤4．深入分析研究（1）失效产品的直观检查（变形，损伤情况，裂纹扩展，断 裂源）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、 超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X射线衍射法）（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核 26深入研究深入研究3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤无损探伤基础涡流——利用涡流的集肤效应，探查表层的缺陷。
涡流探伤仪准确度较高着色——利用高渗透性的有色液体（着色剂）涂抹金属表面，缺陷处能够渗入，利用色差分辨准确度一般磁粉——利用磁性液体（磁粉探伤剂）喷涂金属表面，缺陷处能够渗入，利用色差分辨准确度较着色高同位素——利用放射性同位素缺陷衰减原理，重要结构 27深入研究深入研究3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤无损探伤基础X X射线——利用X射线的高穿透能力，对金属缺陷可实现定性、定位、定尺X射线探伤仪优点：准确度高，不受材料性质限制，无表面特殊要求应用广泛，可实现自动扫描限制：放射性，需要保护穿透深度有限（60mm）超声波——利用超声波在固体介质中的高穿透能力以及不同材料对超声波穿透和反射的差异，实现对缺陷的探测超声波探伤仪优点：无放射性，不需保护穿透厚度无限制应用广泛，可实现自动探伤限制：对缺陷定性困难表面质量要求高 28分析报告分析报告3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤5 综合分析归纳，推理判断提出初步结论 根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。
6．重现性试验或证明试验 重大事件7．撰写失效分析报告 失效分析报告与科学研究报告相比较，除了条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同失效分析侧重于失效情况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告 29分析报告分析报告3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤机械产品的失效分析报告通常应包括的内容 （2 2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准 （1 1）概述 首先介绍失效事件的自然情况；受何部门或单位的委托；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等 30分析报告分析报告3.2 3.2 3.2 3.2 失效分析的程序与步骤失效分析的程序与步骤 （3 3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。
对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的. . （5 5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等 （4 4）问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论 31断口分析断口分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析 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 32断口处理断口处理 3.3.1 3.3.1 断口处理及断口分析的任务 3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析 断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、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 33断口处理断口处理3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1 断口的处理（2 2）对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗3 3）在潮湿大气中锈蚀的断口4 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去除方法有化学法、电化学法及干剥法等1 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； 34断口处理断口处理3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1 断口的处理 化学法常用的溶液为： 2020％NaOHNaOH水溶液加 200200克／升锌粉在此溶液中将断口煮沸5 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 。
①①电介质为5050％硫酸水溶液加 2 2克／升缓蚀剂（若丁）阳极为石墨或铅，阴极为断口试样，7575 C C、3 3分钟，阴极电流密度约20A20A dmdm-2-2 35断口处理断口处理3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1 断口的处理 ②②电解溶液为40%NaOH+60%Na40%NaOH+60%Na2 2COCO3 3（加热至550550 C C），断口样品为阴极，容器为阳极，电流密度40A40A dmdm-2-2，时间5 5～10s10s，随后入冷水激冷为加速清洗，最后再转入到5050～7070 C C的10%10%柠檬酸铵水溶液中浸泡1 1～2min2min，并同时用毛刷刷试 36断口处理断口处理3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析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FeSFeS及FeOFeO，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 ACAC纸，是由7 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 37断口分析断口分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析2. 2. 断口分析的任务（l l）确定断裂的宏观性质 塑性断裂/ /脆住断裂/ /疲劳断裂等 （2 2）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 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； 38断口分析断口分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析2. 2. 断口分析的任务 （4 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 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 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 39宏观分析宏观分析 3.3.2 3.3.2 断口的宏观分析方法3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析 40产品检验产品检验3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析生产中的产品检验： 利用断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） 41宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析 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 42最初件判断最初件判断3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1.1.最初断裂件的判断 （1 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，进而对最初断裂件的断口作具体分析 43最初件判断最初件判断3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1.1.最初断裂件的判断 （2 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 44最初件判断最初件判断3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析1.1.最初断裂件的判断 （3 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 45宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3131哥伦比亚号爆炸哥伦比亚号分析现场 46宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3131哥伦比亚号发射愉快的太空生活泰坦尼克号残片 47宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 48宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析 49宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析2. 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 50宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3333（1 1）利用碎片拼凑法确定主断面 51宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3434（2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹 （3 3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹 52宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 3. 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 53宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区 54宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35353838（2 2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区 55宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35353939（3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区 56宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（4 4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区 57宏观分析宏观分析（7 7）断口表面的损伤情况 碰撞，摩擦 等 3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（8 8）断口的边缘情况 剪切唇，毛刺 等 （5 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 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 58宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 59宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354、宏观断口的表观现象 与致断原因初判 60宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （1 1）断裂源区和零件几何结构间的关系 断裂源区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 61宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （1 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 62宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （1 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力集中方面入手 63宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（2 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 64宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35353636 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： 65宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （a 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4545 螺旋状此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 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 66宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 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 67宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （c c）断口表面与轴线的夹角远小于4545 ，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 68宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （3 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 69宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535承受旋转弯曲的轴件可能产生以下几种类型的断裂： （a a）裂纹源于表面一处或两处（基本对称，但稍有偏转）这是最为常见的断裂形式。
其产生原因是由于表面拉应力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致在无明显缺陷存在的情况下，正常的断裂（由材料性质及轴件的几何尺寸和载荷性质来决定）也呈此种断裂形式； 70宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （b b）裂纹源于次表面某处次表面的拉应力小于表面，其所以成为起裂点，必然存在有较大的缺陷； （c c）裂纹源于整个表面向内扩展导致的断裂其断裂原因一般是由于轴件存在有变截面且其应力集中现象严重所致，如此处为直角过渡的情况 71宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （4 4）断口表面的粗糙度 断口表面的粗糙度在很大程度上可以反映断裂的微观机制并有助于断裂性质及致断原因的判断 如粗糙的纤维状多为微孔聚集型的断裂机制，且孔坑粗大，塑变现象严重； 瓷状断口多为准解理或脆性的微孔断裂，塑变现象极小，孔坑小、浅、数量极多；粗、细晶粒状为沿晶断裂；镜面反光现象明显的结晶状断口为解理断裂；表面较平整多为穿晶断裂，凹凸不平多为沿晶断裂等。
72宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 （5 5）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因为随着裂纹的扩展，零件的有效面积不断减小，使实际载荷不断增加对于塑性材料来说，随着裂纹的扩展，裂纹两侧的塑性变形不断加大，依此即可确定裂纹的扩展方向 在断口的表面没有其它特殊花样存在的情况下，利用断口边缘的情况往往是判断裂纹源区及裂纹扩展方向的唯一的和可靠的方法 73宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354040 74宏观分析宏观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354141 （6 6）断口上的冶金缺陷 注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、缩孔等缺陷有时依此可以直接确定断裂原因 75微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354242 3.2.4 断口的微观分析 断裂件的断口经宏观分析之后，对断裂的性质、类型及致断原因等问题已有所了解。
但对于许多断裂问题，特别是在特殊环境条件下发生的断裂，仅限于宏观分析还是不够的其原因是，一方面是由于断口的某些产物需要搞清楚才能确定断裂原因，另一方面宏观断口形貌尚不能完全揭示出断裂的微观机制及其它细节因此，为了进一步搞清楚这些问题、尚需对断口作微观分析其内容主要包括断口的产物分析及形貌分析两个方面 76微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354343 1.1.断口微观分析的内容 （1 1）断口的产物分析 断口产物的分析又可分为成分分析和相结构分析两个方面成分的确定可采用化学分析、光谱分析、带有能谱的扫描电镜、电子探针及俄歇能谱仪等手段进行产物的相结构分析常用X X射线衍射仪、德拜粉末相机X X射线衍射、透射式电子显微镜选区衍射及高分辨率衍射等方法 77微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354343 1.1.断口微观分析的内容（2 2）断口的微观形貌分析 目前用于断口微观形貌分析的工具，主要是电子显微镜，即透射电镜及扫描电镜。
78微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354444 2 2、解理断裂（1 1）解理断裂的特点 解理断裂是正应力作用下金属的原子键遭到破坏而产生的一种穿晶断裂其断裂的特点是，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 金金 属属晶系晶系解理面解理面 -Fe -Fe体心立方体心立方{100}{100}WW面心立方面心立方{100}{100}MgMg密排六方密排六方{0001}{0001}ZnZn密排六方密排六方{0001}{0001}TiTi密排六方密排六方{0001}{0001}TeTe六方六方{1010}{1010}BiBi菱形菱形{111}{111}SbSb菱形菱形{111}{111} 79微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354545 80微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354646舌状花样 孪晶 81微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747珠光体解理准解理 82微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747解理准解理 83微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747珠光体解理准解理 84微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535导致金属零件发生脆性的解理断裂的原因：（l l）通常只有冷脆金属才能发生解理断裂。
面心立方金属一般不会发生解理断裂仅在腐蚀介质存在的特殊条件下，奥氏体钢、铜及铝等才可能发生此种断裂2 2）构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下3 3）只有在平面应变状态（三向拉应力状态）/ /几何尺寸属于厚板情况 85微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535导致金属零件发生脆性的解理断裂的原因：（4 4）晶粒尺寸粗大因为解理断裂单元为一个晶粒尺寸，粗晶使解理断裂应力显著降低，粗晶使脆性转折温度向高温方向推移，故易促使解理断裂5 5）宏观裂纹的存在裂纹顶端应力集中并使构件的脆性转折温度移向高温，均促使冷脆金属发生解理断裂6 6）加载速度大及活性介质的吸附作用都促进解理断裂的发生 86微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535防止构件发生解理断裂的措施 a 消除或减小构件上的裂纹尺寸，避免过大的应力集中b 细化晶粒 c 消除或减少金属材料中的有害杂质 d 采用双相钢代替单一的马氏体组织材料 e 如果采用上述措施仍不能彻底防止构件的解理断裂，则需更换材料，即采用抗低温性能更好的材料，直至采用非冷脆金属。
防止解理断裂的基本出发点是降低构件的脆性转折温度，使构件在脆性转折温度以上的条件下工作 87微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析353549493 3、微孔型断裂 微孔型断裂的微观电子形貌呈孔坑、塑坑、韧窝、迭波花样在孔坑的内部通常可以看到第二相质点或其脱落后留下的痕迹，这是区别断裂的主要微观特征 微孔型断裂，又叫微孔聚集型断裂，它是指塑性变形起主导作用的一种延性断裂1 1）微孔型断裂的微观形貌 88微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 89微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35355050 （2 2）微孔型断裂的形成 90微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 91微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 92微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 93微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 94微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354949 95微观分析微观分析（1 1）微观形貌特征 由平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂。
3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535 4 4 准解理型断裂 准解理型断裂是淬火并低温回火的高强度钢较为常见的一种断裂形式，常发生在脆性转折温度附近 关于准解理的形成机制，看法不一，有人认为准解理小平面也是晶体学解理面，它与解理断裂的机制相同，或者认为准解理断裂是一种解理裂纹与塑性变形之间的过渡型断裂机制 96微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747珠光体解理准解理 97微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747珠光体解理准解理 98微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35354747珠光体解理准解理 99微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（2 2）断裂性质的判别（a a）在微观范围内可以看到“解理”断裂和微孔型断裂的混杂现象，即在微孔断裂区内有平坦的小刻面或在小刻面的周边有塑性变形形成的撕裂棱的形貌特征；（b b）小刻面的几何尺寸与原奥氏体晶粒大小基本相当，即断裂单元为一个晶粒大小；（c c）小刻面上的河流花样比解理断裂所看到的要短，且大都源于晶内而中止于晶内；（d d）小刻面上的台阶直接汇合于邻近的由微扎组成的撕裂棱上。
100微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析3535（3 3）致断原因分析a a 从材料方面考虑，必为淬火并低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂；b b 构件的工作温度与钢材的脆性转折温度基本相同；c c 构件的薄弱环节处于平面应变状态；d d 材料的晶粒尺寸比较粗大；e e 回火马氏体组织的缺陷，如碳化物在回火时的定向析出，孪晶马氏体的中脊与微裂纹以及较大的淬火相变应力等均使准解理初裂纹易于形成 101微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35355252 5 5、沿晶断裂 金属零件在应力作用下沿晶粒边界发生分离的现象称为沿晶断裂沿晶断裂的微观形貌特征 102微观分析微观分析3.3 3.3 3.3 3.3 断断 口口 分分 析析35355353 103Q&A问答环节敏而好学，不耻下问学问学问，边学边问Heisquickandeagertolearn.Learningislearningandasking. 104结束语感谢参与本课程，也感激大家对我们工作的支持与积极的参与。
课程后会发放课程满意度评估表，如果对我们课程或者工作有什么建议和意见，也请写在上边 105感谢聆听Theusercandemonstrateonaprojectororcomputer,orprintthepresentationandmakeitintoafilm讲师：XXXX日期：20XX.X月 。
