失效分析知识点

失效分析知识点

第一章概论

1.失效的定义：当这些零件失去其应有的功能时，则称该零件失效。

2.失效三种情况：

（1）.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等从而完全丧失其功能；

（2）.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能工作，但不能完成规定功能，如由于磨损导致尺寸超差等；

（3）.零件能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性。

3. 失效分析定义：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。也就是研究失效的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。

4. 失效分析过程：事前分析（预防失效事件的发生）、事中分析（防止运行中设备发生故障）、事后分析（找出某个系统或零件失效的原因）。

5. 失效分析的意义：

（1）.失效分析的社会经济效益：失效将造成巨大的经济损失；质量低劣、寿命短导致重大经济损失；提高设备运行和使用的安全性。

（2）.失效分析有助于提高管理水平和促进产品质量提高；

（3）.失效分析有助于分清责任和保护用户（生产者）利益；

（4）.失效分析是修订产品技术规范及标准的依据；

（5）.失效分析对材料科学与工程的促进作用：材料强度与断裂；材料开发与工程应用。

第二章失效分析基础知识

一.机械零件失效形式与来源：

1.按照失效的外部形态分类：

（1）过量变形失效：扭曲、拉长等。原因：在一定载荷下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。

（2）断裂失效：一次加载断裂（静载荷）：由于载荷或应力超过当时材料的承载能力而引起；

环境介质引起的断裂：环境介质和应力共同作用引起的低应力脆断；

疲劳断裂（交变载荷）：由于周期作用力引起的低应力破坏。

（3）表面损伤失效：磨损：由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动，造成材料流失所引起的一种失效形式；

腐蚀: 环境气氛的化学和电化学作用引起。

（4）.注：断裂的其他分类

断裂时变形量大小：脆性断裂、延性断裂；

裂纹走向与晶相组织的关系：穿晶断裂、沿晶断裂；

2.失效的来源：

（1）.设计的问题：高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算错误；设计判据不正确。

（2）.选择材料上的问题：选择材料判据有误、材料中存在缺陷。

（3）.加工制造及装配中存在的问题：加工方法不对、不文明施工等。

（4）.不合理的服役条件。

二. 应力集中与零件失效

1.应力集中：零件截面有急剧变化处，就会引起局部地区的应力高于受力体的平均应力，这一现象称为应力集中；

2.应力集中系数：表示应力集中程度大小的系数称为应力集中系数。

3.NSR（材料的缺口敏感性）：缺口试样强度与光滑试样强度的比值表示材料的缺口敏感性。

4.影响应力集中与断裂失效的因素

（1）材料力学性能的影响。一般，材料硬度越高，脆性越大，塑性韧性越低，应力集中越强烈，裂纹扩展速率也越大。

（2）零件几何形状的影响。许多零件，由于结构上的需要和设计上的不合理，在结构上有尖锐的凸边、沟槽或缺口等，当其在加工或使用过程中，将在这些尖锐部位产生很大的应力集中而导致开裂。

（3）零件应力状态的影响：当材料的质量合格，几何形状合理的情况下，裂纹起源的部位主要受零件应力状态的影响，此时，裂纹将在最大应力处形成。

（4）加工缺陷的影响：加工缺陷的存在，在缺陷处造成应力集中，导致零件开裂。（5）装配、检验产生缺陷的影响：即装配和检验过程中没有严格按照操作规范从而导致零件产生缺陷，在这些缺陷部位产生应力集中，导致开裂。

5.降低应力集中的措施

（1）从强化材料方面降低应力集中的作用（强化材料局部地区即应力集中处的疲劳强度，从而降低应力集中的危害）：表面热处理强化、薄壳淬火、喷丸强化、滚压强化；

（2）从设计方面降低应力集中系数。变截面部位的过渡：尽可能加大过渡部分的圆角，使过渡区接近于流线型；根据零件的受力方向和位置选择适当的开孔部位：孔一般应开在低应力区，如必须开在高应力区，则应采取补强措施；在应力集中区附近的低应力部位增开缺口和圆孔。

三.残余应力与零件失效

1.内应力：材料在无外载荷时，存在于其内部并保持平衡的一种应力称为内应力。

2.残余应力（第一类内应力，宏观应力）：存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm以上；残余压应力能够提高零件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力；残余拉应力总是有害的，降低零件的疲劳抗力、抗应力腐蚀的能力等。

3.微观应力：第二类内应力（晶粒尺寸大小范围）、第三类内应力（原子尺寸大小范围）。

4.残余应力的产生：

（1）热处理残余应力：由热应力和组织应力叠加的结果；

（2）表面化学热处理引起的残余应力

（3）焊接残余应力：是在焊缝及其附近由于焊接的热应力、组织应力和拘束应力共同作用而产生的。形成原因：直接应力，不均匀加热的后果，这是主要原因；间接应力：这是焊前加工状况所造成的应力；组织应力：这是由于组织变化而产生的应力。

（4）铸造残余应力：在构件界面内保持平衡而存在的残余应力0；构件间相互保持平衡的残余应力；由于铸造型砂的阻力而产生的残余应力；铸件成分的影响；（5）涂镀层引起的残余应力。电镀时产生的残余应力，是指在基体金属上逐层电沉积上去的镀覆部分的残余应力。

（6）切削加工残余应力。金属材料在进行切削（磨削）加工时，在加工过程中与工具相接触部分的附近要产生塑性变形。

5.残余应力的影响：

（1）对静强度的影响

（2）对硬度的影响

（3）对疲劳强度的影响

（4）对脆性破坏和应力腐蚀开裂的影响：对低温脆性破坏和应力腐蚀开裂等突然性的失效形式，残余应力的作用是显著的。

6.消除和调整残余应力的方法：热作用法和机械法

（1）去应力退火：是消除焊接残余应力、铸造残余应力、机加工残余应力最常用和最有效的方法之一。一般的退火是把构件在较高温度下保温一段时间，然后再进行缓冷的一种工艺方法。

（2）回火或自然时效处理：随着回火温度升高，残余应力去除的部位显著增大，当回火温度达到450摄氏度及以上时，可认为残余应力已经完全消除。对于一些铸件可采用自然时效的方法消除残余应力。

（3）机械法（加静载或动载）：加静载使有残余应力的部位发生屈服而使残余应力松弛。加动载可消除残余应力。

（4）火焰烘烤法

四材料的韧性与断裂设计

1.低应力脆断及材料的韧性

（1）各种脆断的共同点：通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的；

脆断通常发生在比较低的温度下；

脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷

处，如缺口、裂纹、夹杂等；

厚截面、高应变速率促进脆断。

五应力分析与失效分析

1.材料的失效形式大致可分为三种：

2.（1）脆断：断裂前无宏观塑性变形（如铸铁拉伸、扭转）

（2）剪断：沿最大剪应力方向发生的断裂。例如铸铁在压缩和硬铝在拉伸时，大约沿45度方向剪断。

（3）屈服：经过一定的塑性变形后方发生的断裂。例如低碳钢拉伸、扭转和压缩时，都有很大的塑性变形。

注：不同的材料在受力相同的情况下可能出现不同的失效形式，塑性材料一般会出现塑性变e形，而脆性材料一般会出现脆性断裂。同一种材料在不同的受力状况下也会有不同的失效形式，这一点在失效分析中要引起重视。