失效分析期末复习

第一章绪论材料的定义：材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。

失效：产品丧失规定的功能称为失效。

产品失去规定的功能的含义：1.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能；2.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；3.零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性；失效分析：定义：是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。

就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

与生产现场废品分析的异同点：涉及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方面，有许多共同之处。

在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不同的。

失效分析的对象是在使用中发生失效的产品。

分析的主要目的是寻找失效的原因。

漏检和技术标准不合理都可能是失效的原因，如果是后者，则应对技术标准修改。

废品分析的对象是不符合技术标准的产品或半成品。

它所讨论的问题是产品及产品为什么不符合技术标准的要求。

至于产品的技术标准是否正确则不属于废品分析要解决的问题。

第二章材料结构基础（重点）材料结构的涵义：是影响材料性能的基本因素，随化学组成及外界条件改变。

原子中的电子结构（原子结构）：原子中电子的分布规律，尺度约为10-13m；使材料表现出金属、陶瓷和高分子性能，对材料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重大影响原子（或分子）排列结构：即原子或分子在空间的排列，尺度约为10-10m；原子排列结构严重影响材料的力学性能（强度、塑性、韧性等）显微组织结构：借助光学显微镜和电子显微镜观察到晶粒或相的集合状态，尺度约为10-4~10-8m；可观察到材料的线、面、体缺陷及表面缺陷。

宏观组织结构：肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。

电子壳层：在多电子的原子中，电子的能量也是不连续分布的，它们分布在不同的能级上，这种按层分布称为电子壳层。

原子中电子壳层数目及填充方式：1. 电子壳层数目n = 1，2，3，4， 5K L M N O 主壳层(shells)l = 0，1，2，3，4 由内向外s p d f g 支壳层(subshells)2. 最多电子数目K~2，L~8，M~18s~2，p~6，d~103. 最外层s—1~2，p—1~6，d—1~104. 排列次序1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s如：H (1) 1s1 Na (11) 1s2 2s2 2p6 3s1电子的统计性形态法描述：四个量子数(Quantum Numbers)n , 第一量子数：决定体系的能量n = 1，2，3….（整数），n =1 时为最低能级K，L，M ….l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性l = 0，1，2，3，4 （n -1）n =1，l = 0s p d f g 状态n =2，l = 0，1 (s, p)m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量m l = 0，±1，±2，。

，±l有（2 l+1）个m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向+1/2，-1/2电子在原子中的某一运动状态是由n、l、ml和ms4个量子数确定的。

电子的分布遵循的原理和准则：泡利不相容原理:原子中每个电子必须有独自一组四个量子数；一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；能量最低原则:电子总是按能量最低的状态分布；洪特规则:简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。

原子之间的相互作用和结合：自然界一般由原子或分子组成物质或材料，不论什么物质，其原子结合成分子或固体的力，从本质上都是源于库仑力。

结合方式有两大类型，即基本结合（离子键、金属键、共价键）和派生结合（分子间作用力、氢键）各类键的定义、基本特点：基本键合1.离子键合：离子键正离子————负离子库仑引力特点：①电子束缚在离子中；②正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性;③构成三维整体晶体结构；④在溶液中离解成离子。

2 . 金属键合特点：①由正离子排列成有序晶格；②各原子最(及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性；③原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子；④价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。

3. 共价键合：两个原子共享最外壳电子的键合。

特点：①两原子共享最外壳层电子对；②两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反；③有饱和性和方向性。

电子云最大重叠，1共价键仅两个电子。

4. 混和键合电负性：表示吸引电子的能力同一周期左右电负性增高同一族上下电负性降低派生键合作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换）1.分子间引力（Intermolecular Attraction)分子（或电中性原子）间的结合力，又称范氏（van der Waals）力。

特点：①无方向性和饱和性②键能最小2. 氢键(Hydrogen bond)质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。

特点： ①有方向性，饱和性； ②分子内氢键；分子间氢键；③键能: 一般为几 ~ 十几 kcal/mol固体中的原子有序☐ 晶体几何学基础晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶向：是原点出发通过某点的射线(或过若干结点的直线方向） 晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。

晶面间距：晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距六类晶体：金属晶体（重点） 金属键；无方向性；原子城圆球状密堆积 离子晶体 共价晶体 分子晶体 多晶 液晶典型金属结构晶体学特点⏹ 固体中的原子无序固溶体：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体 通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵；有一定的成分范围 ---- 固溶度 根据溶质在点阵中的位置划分，固溶体可分为置换型、间隙型和非化学计量化合物 晶体结构缺陷类型⏹ 点缺陷的基本类型（空位、间隙、肖特基、弗兰克尔缺陷） ⏹ 线缺陷的基本类型（棱位错 、螺旋位错）扩散⏹ 扩散机制（空位：一个原子与一个相邻空位交换位置多数金属和置换固溶体、间隙：间隙式固溶体H, C, N, O 、直接交换：极难，很少发生） ⏹ 扩散系数：D = D o e –Q/RT⏹ 固体物质的表面结构晶界：晶体材料内部成分、结构相同而取向不同的晶粒（或亚晶）之间的界面 相界：材料中成分、结构不同的两相之间的界面结 构 特 征结 构 类 型体 心 立 方 面 心 立 方 密 排 六 方点 阵 类 型体心立方面心立方简单六方点 阵 常 数 aaa ，c ，c/a =1．633最近的原子间距 （原子直径）晶胞中原子数6 配 位 数 81212 致 密 度0.74a d 23=ad 42=ac ad =+=4322028811=⨯+4621881=⨯+⨯68.0)43)(34(233=⨯a a π74.0)42)(34(433=⨯a a π第四章材料结构与失效分析方法成分分析⏹表面分析（分析深度小于10nm）☐俄歇光谱仪(AES)、光电子化学分析仪(ESCA)、二次离子质谱仪(SIMS)、离子散射光谱仪(ISS)、激光拉曼光谱仪(LRS)；⏹次表面分析（分析深度小于1000nm）☐电子微探分析仪(EPMA)、X射线荧光分析仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、卢瑟福背向散射光谱仪(RBS)、穆斯堡尔光谱仪(MBS)；⏹本体分析（材料内部化学成分）☐原子吸收光谱仪(AA)、火花激发原子发射光谱仪(spark AE)、感应耦合电浆原子发射光谱仪(ECP-AE)断口形貌观察（在对断口形貌观察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（干燥大气、断后被油污染、潮湿大气中锈蚀、腐蚀环境中断裂的断口、断口取样）1、在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干燥器内或真空室内保存，以防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零部件断口要采取有效保护措施，防止零件或断口的二次污染；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。

可用稀盐酸水溶液去除锈蚀氧化物，然后用水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干；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，不要轻易将其去掉。

当为了观察断口形貌特征而必须去除时，应先对产物的形貌、成分及相结构进行仔细分析后再予去除。

腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。

断口形貌观察常用的仪器：主要包括低倍放大镜、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜（TEM）;无损检测定义在材料完全破断前或破断初期，利用各种声、光、热、电、磁和射线等物理因子与待检测物质相互作用，在不破坏待检测物的内外部结构及其使用性能下，对其内部或表面缺陷位置、大小、形状、种类、分布等进行检测，以便及时采取补救措施，是材料失效的预警技术。

常用方法:渗透检测法、涡流检测法、磁粉探伤法、射线透视法（X射线或γ射线）、中子束透视法及超声波探伤法；第五章失效分析基础知识（一）机械零件失效形式与来源断裂失效的分类：根据断裂时变形量的大小：脆性和延性断裂；按裂纹的走向与晶粒的关系：穿晶和沿晶按断裂机制：微孔型、解理型、沿晶和疲劳断裂；从致断原因的角度：过载断裂失效、疲劳断裂失效、材料脆性断裂失效、环境诱发断裂失效、混合断裂失失效的来源：设计与选材的问题；加工、热处理或材质上的问题；装配上的问题；使用、操作和维护不当的问题(二）应力集中与零件失效应力集中：零件截面有急剧变化，引起局部地区的应力高于受力体的平均应力。

材料的缺口敏感性：一般用缺口试样强度与光滑试样强度的比值NSR来表示材料的缺口敏感性。

NSR值小于1说明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。

在实际使用中NSR与尺寸因素、表面因素关系密切，尺寸越大、表面越粗糙，NSR越低）影响应力集中与断裂失效的因素：材料力学性能、零件几何形状、零件应力状态的影响、加工缺陷（三）残余应力与零件失效残余应力的产生：1.热处理残余应力：热应力和组织应力叠加、2.表面化学热处理引起的残余应力：渗碳，渗氮后表层为残余压应力；渗氮产生残余应力时没有组织转变，过程单纯；影响渗碳淬火试样残余应力的因素：a 、渗碳厚度 渗碳深度增加，外表层残余应力有减小倾向b 、试样直径 相同渗碳厚度下，直径越大残余压应力越高c 、钢种的影响、3.焊接残余应力：焊接是较容易产生残余应力的材料成型方式。

在焊缝及热影响区由于焊接的热应力，组织应力和拘束应力共同作用产生复杂的残余应力场。

焊接应力形成原因：直接应力：不均匀加热的结果。