《材料失效分析》实验教案2014上.
《材料失效分析》
《材料失效分析》材料失效分析概论随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的重视。
为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械构件的失效(断裂)现象进行了大量的分析和研究，日益完善了失效分析技术及其基本理论。
应用失效分析技术——可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及质量管理等方面工作;同时失效分析技术又是制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依据之一。
大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发展，都具有极其重要的作用。
一、失效的概念所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成指定的功能。
亦可称为故障或事故。
一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个条件中的一个为判据:(1) 零件完全破坏，不能工作;(2) 严重损伤，继续工作不安全;(3) 虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。
上述情况的任何一种发生，都认为零件已经失效。
二、失效的形式机械零部件最常见的失效形式有以下几种:1(断裂失效:通常包括塑性(韧性)断裂失效;低应力脆性断裂失效;疲劳断裂失效;蠕变断裂失效;应力腐蚀断裂失效。
2(表面损伤失效:通常包括磨损失效;腐蚀失效;表面疲劳失效3(变形失效:包括塑性变形失效;弹性变形失效同一种零件可有几种不同失效形式。
例如，轴的失效，可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形(弹性失稳)。
究竟以什么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力最低。
因此，一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。
但它们可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。
三、失效分析失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及变形等失效现象的特征1及规律，并从中找出产生失效主要原因的一门新的学科或分析技术。
也称之为故障分析或事故分析等。
失效分析是门多学科的边缘科学，它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。
材料失效分析课程设计思路
材料失效分析课程设计思路一、课程目标知识目标：1. 学生能理解材料失效的基本概念，掌握材料失效的主要类型及特点；2. 学生能掌握材料失效分析的基本方法，如断口分析、金相分析等；3. 学生能了解材料失效预防及延寿措施，提高材料的使用寿命。
技能目标：1. 学生能运用所学知识，对实际工程中的材料失效案例进行分析，并提出解决方案；2. 学生能通过小组合作，进行材料失效实验，提高实验操作能力和团队协作能力；3. 学生能运用现代信息技术，收集、整理材料失效相关资料，提高信息处理能力。
情感态度价值观目标：1. 学生通过学习材料失效分析，增强对工程问题的责任感，培养严谨的科学态度；2. 学生在探讨材料失效案例中，学会尊重事实，敢于质疑，培养批判性思维；3. 学生通过了解材料失效对社会经济发展的影响，提高环保意识和可持续发展观念。
本课程针对高中年级学生，结合物理、化学等学科知识，以实际工程案例为载体，引导学生掌握材料失效分析的基本原理和方法。
课程注重理论与实践相结合，培养学生解决实际问题的能力。
同时，关注学生的情感态度价值观培养，使其在学习过程中形成正确的科学态度和价值观。
通过本课程的学习，为学生未来在材料科学、工程技术等领域的发展奠定基础。
二、教学内容本章节教学内容主要包括以下三个方面：1. 材料失效基本概念及类型- 失效定义及失效分析的意义；- 常见材料失效类型：断裂、腐蚀、磨损、疲劳等；- 各类失效特点及影响。
2. 材料失效分析方法- 断口分析：原理、方法及应用；- 金相分析：原理、方法及应用；- 其他失效分析方法：如光谱分析、电子探针等。
3. 材料失效预防及延寿措施- 材料选择与设计：依据工况选择合适材料，优化设计；- 表面处理技术：涂层、镀层、阳极氧化等；- 维护与监测：定期检查、预防性维护、在线监测等。
教学大纲安排如下：第1课时：导入及材料失效基本概念；第2课时：常见材料失效类型及特点；第3课时：断口分析与金相分析方法；第4课时：其他失效分析方法；第5课时：材料失效预防及延寿措施。
材料失效分析
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谢谢欣赏
主讲：xxx
成分分析
通过能谱仪对断口表 面的成分进行了分析 。分析结果表明，断 口表面存在一定程度 的氧化和腐蚀现象， 但并未发现其他异常 元素
失效分析过程
失效分析过程
力学性能测试
为了评估材料的力学性能，对断裂的零部件 进行了拉伸、冲击和硬度测试。测试结果显 示，材料的强度和硬度均符合设计要求，但 冲击韧性较低。这表明材料对于冲击载荷的 抵抗能力较弱
CHAPTER 2
失效分析过程
失效分析过程
宏观检查
首先，对断裂的零部件进行了 宏观检查。观察断口的形貌和 分布，发现断裂起始于零件的 表面，并呈现出疲劳断裂的特 征。断口附近没有明显的塑性 变形，也未发现其他异常现象
微观结构分析
失效分析过程
为了进一步了解材料 的微观结构，对断口 附近进行了金相显微 镜观察。结果显示， 断口附近的晶粒大小 不均匀，部分晶粒明 显粗大。同时，在断 口表面发现了一些微 小的夹杂物和裂纹
CHAPTER 4
改进建议
改进建议
根据上述分析结果，提出以下改进建议
对材料的制造过程进行严格控制：确保 晶粒大小均匀，减少微观结构的不均匀 性
加强表面处理工艺：减少表面夹杂物和 对冲击载荷的抵抗能力
对零件的设计进行重新评估：降低工作 应力，提高零件的实际使用寿命
失效分析过程
有限元分析
为了更好地了解零件的工作应力 分布和疲劳寿命，对零部件进行 了有限元分析。分析结果表明， 在正常工作条件下，零件的应力 分布较为均匀，但某些局部区域 存在较高的应力集中。此外，根 据疲劳寿命预测，该零件的疲劳 寿命应该远大于其实际工作时间
材料失效分析课程设计 教学大纲
《材料失效分析》课程设计教学大纲制定依据：本大纲根据2014版本科人才培养方案制定。
课程编码：E0481184周数：1学分数：1适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、金属工艺学等考核方式：考查一、课程设计的目的与作用《材料失效分析》课程设计是机械工程学院金属材料工程专业的一门主要的专业课和必修课，是在完成《材料失效分析》课程理论教学以后所进行的重要实践教学环节。
本课程的学习目的在于使学生综合运用《材料失效分析》课程及其它先修课程的理论知识和生产实际知识，进行材料失效分析的实践，使理论知识和生产实际知识紧密结合起来，从而使这些知识得到进一步的巩固、加深和扩展。
通过课程设计实际训练，为毕业设计及解决工程问题打下良好的基础。
二、课程设计的内容与基本要求1、《材料失效分析》课程设计的内容（1）明确设计要求，根据材料失效分析基本思路拟定分析程序；（2）分析和探究材料失效的基本原因；（3）根据失效原因，提出建议措施；（4）写出分析报告或小论文。
2、《材料失效分析》课程设计的基本要求（1）《材料失效分析》课程设计是一项全面的设计训练，它不仅可以巩固所学的理论知识，也可以为以后的设计工作打好基础。
在设计过程中必须严肃认真，刻苦钻研，一丝不苟，精益求精。
（2）《材料失效分析》课程设计应在教师指导下独立完成。
学生必须发挥主观能动性，积极思考问题，而不应被动地依赖教师查资料、给数据、定方案。
（3）设计中要正确处理参考已有资料与创新的关系。
任何设计都不能凭空想象出来，利用已有资料可以避免许多重复工作，加快设计进程，同时也是提高设计质量的保证。
另外任何新的设计任务又总有其特定的设计要求和具体工作条件，因而不能盲目地抄袭资料，必须具体分析，创造性地设计。
（4）学生应按设计进程要求保质保量的完成设计任务。
学生应要求阅读15篇以上相关性文献；写出论文一篇，题目形式为《XX失效分析》。
三、课程设计指导方式（一）指导教师资格及职责1、教师资格：指导教师必须由具有讲师及以上职称或硕士研究生及以上学历教师担任（优先选择具有工程实践经验的教师）。
材料失效分析
中国海洋大学本科生课程大纲课程属性：公共基础/通识教育/学科基础/专业知识/工作技能，课程性质：必修、选修一、课程介绍1.课程描述：材料失效分析是一门多学科交叉的综合性学科，在材料研究、安全生产、事故分析和社会发展等方面有重要的地位和作用。
它涉及内容广，工程背景强，技术难度高，承担责任大，尤其对基础材料的制备、新材料的研发、新产品的开发、结构的可靠性分析、事故的责任认定和时间的预测预防等都具有理论意义和工程价值。
本课程主要介绍了失效分析的基本概念、基础理论和表征方法，深入浅出地介绍了如何运用基础理论和基本方法分析解决实际问题。
2.设计思路：材料失效形式主要包括断裂失效、腐蚀失效、磨损失效，加工缺陷与失效，本课程以材料失效的各种形式为主线，主要介绍常用的失效分析方法和各种失效形式的主要特点，旨在培养和训练学生运用已有的基础知识和基本方法去分析解决实际问题的综合能力，同时增强其探索能力和创新能力。
课程内容主要包括六个模块：总论（材料失效分析的基本概念）、失效分析基本方法、材料的断裂失效形式与机理、材料的腐蚀失效形式与机理、材料的磨损失效形式与机理、金属构件加工缺陷与失效。
- 6 -（1）总论（材料失效分析的基本概念）：主要内容包括材料失效分析的基本概念、特点和发展概况。
要求同学们掌握失效分析的定义和基本内容，理解材料失效分析的基本特点和意义，了解失效学的发展史及概况。
重点掌握材料失效包含的几种主要情况和基本模式。
（2）失效分析基本方法：主要内容包括失效分析的基本思路和程序；材料失效分析的基本检测方法。
要求同学们掌握材料各种性能，包括组成成分、热性能、电性能、力学性能等的基本检测方法，理解失效分析的思路、方法、程序和基本步骤，了解各种性能检测方法的基本原理。
重点掌握各前续课程及专业知识在失效分析中的作用，引起失效的各种原因，及失效分析中检测方法的适当选择。
（3）材料的断裂失效形式与机理：主要内容包括材料的失效形式，外力类型与材料性能，材料安全设计准则，材料的断口，脆性断裂失效分析，韧性断裂失效分析，疲劳断裂失效分析，蠕变断裂失效分析，金属材料的失效模式与机理的关系。
《材料失效分析》课程教学大纲
材料失效分析Failure Analysis of Materials一、课程基本情况课程属性：专业方向课课程学分：2学分课程总学时：32学时，其中讲课：32学时，实验（含上机）：0学时，课外0学时课程性质：选修开课学期：第4学期先修课程：材料概论、材料科学基础等适用专业：材料物理专业教材：庄东汉编著，《材料失效分析》，华东理工大学出版社，2009年。
开课单位：物理与光电工程学院材料物理系二、课程的教学目标和任务材料失效分析是材料物理专业一门专业方向课，也是材料科学工程应用的重要基础。
它有二个基本特点：一是综合性，涉及许多科学领域和技术门类，呈现多学科的交叉性和边缘性；二是经济性，与国民经济发展紧密相联，应用广泛，社会经济效益显著，因而一直受到人们的广泛关注和研究。
材料失效分析为材料科学的工程应用提供了必要的基础。
从学科性质来看，材料失效分析是运用材料科学的基础知识和其他技术科学相结合的综合方法开展事故分析和事后分析，是着眼于未来成功和发展的、应用性强的综合性学科。
本课程的教学目的是以学生为主体，融知识传授、能力培养和素质教育于一体，培养学生如何运用已有的基础知识去分析解决工程实际问题，提高学生的创新思维和创新能力，在分析解决问题的过程中提升专业素养和综合素质，从而为国家高技术领域和相关的技术科学领域输送综合型专有人才。
三、教学内容和要求第1章材料失效分析总论（4学时）1.1 材料失效导言（2学时）（1）了解材料失效分析在发展国民经济中的意义；（2）理解材料失效分析的发展历程；（3）掌握材料失效的来源。
重点：材料失效的来源。
难点：材料失效的案例分析。
1.2失效分析原理（2学时）（1）了解材料破坏形式及材料加工方式；（2）理解材料失效破坏的过程；（3）掌握材料破坏形式及失效分析原理。
重点：材料破坏形式与特征。
难点：材料破坏的形式及失效原理。
第2章材料失效分析方法（10学时）2.1断口形貌观察（2学时）（1）了解宏观和微观的断口形貌特征；（2）理解电子束观察断口形貌技术；（3）掌握不同的断口形貌。
工程材料失效分析方案
工程材料失效分析方案一、前言工程材料是现代工程中不可或缺的一部分，它们承载着重要的结构功能，直接影响到工程的安全性、稳定性和耐久性。
然而，在使用过程中，工程材料往往会出现各种失效情况，例如裂纹、腐蚀、疲劳等，这些失效现象会影响到工程的正常运行，甚至造成严重的事故。
因此，工程材料失效分析显得至关重要。
本文将从失效分析的目的、方法和实施步骤等方面进行详细介绍，希望可以为相关领域的工程师提供一些指导。
二、失效分析的目的失效分析的主要目的是为了确定工程材料失效的原因，帮助人们找出如何避免类似情况再次发生的方法。
具体来说，失效分析的目的包括以下几个方面：1. 确定失效原因：通过对失效样品的实验分析，确定失效的具体原因，包括物理损坏、化学腐蚀、热疲劳等。
2. 提出改进建议：根据对失效原因的分析，提出相应的改进建议，包括选择更合适的材料、改进生产工艺、加强监测检测等。
3. 提高工程质量：通过对失效案例的分析，总结经验教训，提高工程质量，避免类似失效再次发生。
三、失效分析的方法失效分析通常采用的方法包括实验室试验、现场调查、模拟仿真和文献调研等。
具体来说，失效分析的方法主要有以下几种：1. 实验室试验：通过对失效样品进行金相分析、扫描电镜观察、拉伸试验等实验，确定失效的具体原因。
2. 现场调查：深入现场，对失效部件进行观察、测量和采集样品，了解失效环境、使用条件和维护保养情况等。
3. 模拟仿真：通过建立失效模型，进行材料性能仿真和寿命预测，确定失效的可能原因。
4. 文献调研：查阅相关文献、标准和规范，了解失效案例的历史数据，分析失效趋势和规律。
四、失效分析的实施步骤失效分析的实施步骤通常包括以下几个阶段：失效样品接收、现场调查、实验室试验、数据分析和报告撰写。
1. 失效样品接收：首先需要收集失效样品，并记录失效的具体情况，包括失效部位、失效形式、失效时间、使用条件等。
2. 现场调查：对失效部件进行现场观察和测量，并采集相应的样品，了解失效环境、使用条件和维护保养情况等。
材料失效案例分析
连杆颈表面拉伤的机理分析 连杆颈与连杆瓦是一对摩擦副。在曲轴正常运转 的情况下, 连杆颈与连杆瓦之间有一层润滑油薄膜起润 滑作用, 并将两个摩擦表面隔开。检验发现, 该曲轴笫 三连杆颈表面无润滑油,连杆颈与连杆瓦之间呈现较为 严重的干摩擦现象。在润滑失效的情况下, 两个摩擦表 面的金属直接接触, 便产生粘着磨损。
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失效的类型
断裂失效：断裂是指金属，或合金材料，或机械产 品的一个具有有限面积的几何表面的分离过程。 变形失效：所谓变形通常是指机械构件在外力作用 下，其形状和尺寸发生变化的现象。 磨损失效：磨损是指金属或合金的两个相互紧密结 合的面相对运动时，因相互接触而损伤的现象。 腐蚀失效：腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化 学或电化学反应而引起的损伤现象。
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失效分析的步骤
在进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。
原始资料的收集
碎片（或断片）的选择与保存
失效部位分析
化学、力学、物理等试验分析
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综合分析
发动机零件失效案例分析
发动机是使用极其广泛的动力机械, 零部件处于不 同工作条件下, 往往产生不同的失效形式。即使是同一 零件, 产生相同的失效形式, 也可能是不同原因引起。 下面列举几个列举几个发动机零件失效案例并进 行分析。
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气缸套材质的金相分析 根据《内燃机高磷铸铁缸套金相检验》标准,对该 气缸套材质中的石墨、珠光体基体及磷共晶进行了检 验。石墨形状示于图11a, 呈菊花状, 合格。珠光体基体 示于图11b, 呈粗片状, 属合格范畴。
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材质中的磷共晶是决定高磷铸铁力学性能的关键 组织, 可从磷共晶的分布及组成上来分析。图12a所示 为磷共晶分布的金相照片, 磷共晶的网孔直径较大, 最 大可达0.43 mm , 磷共晶呈较为严重的枝晶分布, 增加 了材质的脆性。图12b为珠光体基体上分布的磷共晶 (白亮块状物)金相照片。在200 g载荷下测定了珠光体 基体及磷共晶的显微硬度, 分别为255HV0.2 和 1038HV0.2。
材料失效分析实验指导书
实验一 常见材料失效形式与分析一、实验目的观察常用材料在不同加载形式下的破坏现象,测定其主要的力学性能指标，并对其断口进行宏观和微观分析，从而确定材料在不同加载形式下的失效形式，以培养学生对工程结构材料断裂失效分析的综合能力。
二、实验内容工程结构材料的失效形式通常为断裂、腐蚀、磨损，其中断裂是常见的失效形式之一.材料的断裂按照断裂路径可划分为正断和韧断.正断是在正应力作用下材料原子面间的结合力被破坏，断裂无明显的宏观变形，微观断口具有结晶学特征；韧断是在切应力作用下材料内位错的滑移导致滑移面分离而断裂，断裂具有明显的宏观变形，断裂特征为滑移蛇形花样，工程结构材料的实际断裂往往是二者的结合.本实验的内容：1．常用材料在拉伸、冲击和疲劳实验中断裂性能指标测试与分析 2．几种断口的宏观与微观分析 三、实验材料与设备1．试验材料为45钢2．PLD-50KN-250NM 拉扭疲劳试验机一台 3．JB —30B 冲击试验机一台 4．SM1体视显微镜一台 5．数码照相机 6．游标卡尺 四、试验原理与试样制备1。
拉伸试验：对一定形状的试样施加轴向拉力F 至试样断裂，便可测出表征金属材料的屈服性能指标、强度性能指标及塑性性能指标.按GB228—87将试验材料加工为如图1所示的圆形拉伸试样。
图1圆形拉伸试样试验方法中规定金属拉伸试件通常采用圆形和板状两种试样，如图1所示的圆形试样对于比例试件，对圆截面试件规定10或5100d l对板状试件，规定 =11。
3或5。
65式中l 0 -——试件的标距d 0-——试件直径（取标距内三处最小的一处平均值） A 0-——板试件横截面积 本实验采用圆截面比例试样。
2．冲击试验：该实验是一种动态力学试验.它是将一定形状尺寸的带U 型或V 型缺口的试样，在冲击载荷作用下折断，以测定其冲击功AK和冲击韧性aK的一种试验方法.按GB229—94将试验材料加工尺寸为10mm ⨯10mm ⨯55mm 的V 形缺口试样，如图2所示。
《材料失效分析》 课程教学大纲
《材料失效分析》课程教学大纲一、课程名称（中英文）中文名称：材料失效分析英文名称：Failure Analysis of Materials二、课程代码及性质课程代码:0832151课程性质:专业选修课,选修课三、学时与学分总学时：24（理论学时：24学时；实践学时：0学时）学分：1.5四、先修课程材料科学基础、热处理原理与工艺、材料力学性能五、授课对象本课程面向材料科学与工程专业、功能材料、材料成型与控制专业学生开设。
六、课程教学目的（对学生知识、能力、素质培养的贡献和作用）本课程的教学目的:1、掌握材料可靠性和失效分析的基本知识，熟悉失效分析的基本程序和方法，培养学生解决各类零件失效分析的能力；2、基于各类典型案例分析，结合材料断口分析、材料力学性能、零件机械设计、材料分析测试技术等信息, 培养学生运用材料科学专业基础知识分析工程构件和功能器件失效原因的综合能力。
3、培养学生通过零件失效分析的学习,具备改进材料、工艺、设计的能力。
七、教学重点与难点：教学重点：材料失效分析方法、各类失效形式的机理。
教学难点：故障树分析方法、各类失效模式及形成机理、结构件失效与功能器件失效的综合原因判断。
八、教学方法与手段：教学方法：(1)以课堂讲授为主,阐述该课程的基本内容,保证主要教学内容的完成;(2)典型案例教学。
通过典型案例分析，强调各课程材料科学基础、材料力学性能、热处理原理与工艺、材料分析方法的基础知识的融合性，掌握正确的分析思路，了解各种分析手段，确定最先破坏的零件和最先破坏的部位。
教学手段：(1)运用现代教学工具,在课堂上通过PPT讲授方式,实现图文并茂,形象直观;(2)任课老师将30年从事失效分析的实际案例，讲解如何解决工程构件失效的问题的方法、思路、手段，具有趣味性和实用性。
九、教学内容与学时安排（1）总体安排教学内容与学时的总体安排，如表2所示。
（2）具体内容各章节的具体内容如下：第一章概论 (2h)1.1 可靠性的发展概况1.2 可靠性及失效分析的基本概念1.3可靠性及失效分析的重要意义1.4可靠性工程与失效分析的任务第二章可靠性的主要数量特征及其常用分布 (4h)2.1 可靠性的主要数量特征2.2常用寿命分布及其背景2.3系统的可靠性分析第三章失效分析方法 (4h)3.1机械零件失效形式及失效原因3.2失效分析方法3.3故障树分析3.4 一般零件失效分析方法第四章材料断口宏观分析 (3h)4.1 失效件的选取与保护4.2 断口宏观分析4.3宏观断口分析实例第五章材料显微断口分析 (3h)5.1 韧性断口的显微特征5.2 解理断口的显微特征5.3疲劳失效机理及断口的显微特征5.4沿晶断口的显微特征5.5应力腐蚀断裂的显微特征5.6其他断口的显微特征第六章断裂力学在失效分析中的应用（2h）6.1 低应力脆断及材料的韧性）6.2 线弹性断裂力学-应力场强分析与断裂6.3 断裂韧性在结构设计和失效分析上的应用6.4断裂力学在疲劳问题上的应用第七章材料的腐蚀失效 ( 2h)7.1 腐蚀失效基础7.2 均匀腐蚀失效7.3电偶腐蚀失效7.4晶间腐蚀失效7.5点腐蚀和缝隙腐蚀7.6 应力腐蚀7.7腐蚀疲劳失效第八章典型零件失效分析实例 (4h)8.1 轴类零件失效8.2 齿轮类零件失效8.3 轴承失效分析8.4紧固件失效8.5电子产品失效分析（3）各章节的课后思考题（作业）及讨论要求思考题（课后作业）：第1章思考题：1.什么是失效分析？失效分析的任务是什么？2、可靠性与失效分析有何重要意义？请结合实际举两三个例子。
失效分析3-3(2014修改)
2）对被保护金属施加阴极电流，使金属的 电位降至其平衡电位。
二、点腐蚀与缝隙腐蚀
1. 机理和特征
形成机理共同点： 通过形成一个局部闭塞电池的过程而发生 闭塞电池：孔蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀的发展阶段
，由于几何形状限制了孔中溶液和外部溶液之间的 质量转移，导致空穴内溶液的组分、浓度、pH值、 电位发生变化，因而引起反应加速，具有自催化性 质（自催化电池） 不同点： 闭塞电池的形成过程不同
（a）铆接 （b） 法兰连接 （c） 污垢沉积
缝隙腐蚀示意图
漆膜下也会发生缝隙的丝状腐蚀，海生物附着面 里的腐蚀是特殊的缝隙腐蚀形式
海生物藤壶引起钢的缝隙腐蚀
藤壶底部缝隙腐蚀形态
形态区别： 点腐蚀：
蚀坑窄而深（形状多种，半球形、椭圆、杯形、袋形）；
只出现在构件表面局部，有较分散，有较密集，有很高的阴 阳极面积比，腐蚀孔向深度穿进速度很快；
世界腐蚀损失巨大 • 1937年美国壳牌公司(Shell Company)在比利时布鲁塞尔
举办的一次腐蚀展览会上放了如下一块展牌： 当你读此展牌时，760公斤铁已被腐蚀掉，即当你用不到5 秒钟的时间读这块牌时，大约一吨铁已被腐蚀掉了。
可以推算，世界每年因腐蚀造成的金属材料损失至少1亿 吨以上，腐蚀损失占各国GDP的2-4%。
2. 实例及判断
失效实例： 堆在露天仓库的钢筋、钢材、钢制构件布满铁锈 靠近海岸常年不加表面保护的拉杆 碳钢接触稀硫酸
失效判断： 从外观及腐蚀速率分析易判断
2.一般防护措施
选择合适的耐均匀腐蚀材料； 在金属表面施以耐蚀涂层、镀层； 在工况介质许可的条件下，在接触的
第13章 材料失效分析教材
抗脆断设计：思路，设计分类，结构设计，试验 批量 抗脆断结构设计：降低最大应力，改善零件的腕 力状况，弹性强化和塑性强化 几种主要防脆断设计方法：基于 KIC的设计，按 许用缺陷尺寸设计，按一定要求的防脆断设计，按脆 性转变温度设计。
第十三章 材料失效分析
思考题
1、材料的失效形式主要有哪些？ 2、简述常用的失效诊断技术与方法。 3、如何进行材料的失效预测？ 4、如何提高材料的使用寿命？
1、材料的失效形式主要有哪些？ 失效的形式：断裂失效；非断裂失效 断裂失效：韧性断裂，低温断裂，辐射脆化 ，氢化，应力腐蚀，液固金属脆化，液体浸 蚀，高温应力断裂
非断裂失效：变形（弹性、塑性）、腐蚀（ 氧化、电化学），磨损（磨粒、粘着）
2、简述常用的失效诊断技术与方法。
1、断口诊断技术和方法 断口准备：清理，保护，选取 诊断设备和技术：宏观（体视显微镜，100倍），微观 （金相、SEM、TEM、EPMA、XRD、XPS等） 断口形貌诊断：宏观诊断分析（查找断裂源，分析断裂 形式）
抗机械疲劳设计：减少应力集中，表面处理，局 部应力应变法，损伤容限设计，概率疲劳设计 抗腐蚀疲劳设计：避免死角残留腐蚀介质，铆钉 连接处，焊接接头，轴键连接，加装扰流导板或缓冲 板，涂层保护，应用缓蚀剂，牺牲阳极保护， 抗应力腐蚀设计：减少应力集中，控制加工（钻 孔、焊接）过程应力，减少结构偏心，避免复合应力 集中。
4、综合诊断技术和方法 思路和程序（技术路线和诊断方案），失效模式（ 断裂，非断裂），失效原因，失效机理
失效分析实验
• 了解温度、材料性能对金属冲击韧性的影 响。
第十五页，共二十九页。
2.实验 仪器 (shíyàn)
• 摆锤式冲击(chōngjī)试验机 • 金相显微镜 • 试样为GB/T229-1994 规定10×10 标准夏
氏V 型缺口试样。
失效分析 实验 (fēnxī)
1、拉伸韧性断口形貌(xínɡ mào)分析 2、拉伸脆性断口形貌分析
3、冲击断口形貌分析 4、疲劳断口形貌分析
第一页，共二十九页。
拉伸韧性断口形貌 分 (xínɡmào) 析
• 实验 目的 (shíyàn) • 实验仪器 • 实验原理 • 实验步骤
第二页，共二十九页。
• 测量缺口处的试件尺寸。
• 调整冲击试验机指针调到““零点””根据试件材料 估计所需破坏能量，先空打一次，测定机件间的摩擦 消耗(xiāohào)功。
• 将试件装入在冲击试验机上，应使没有缺口的面朝向摆 锤冲击的一边，缺口的位置应在两支座中间，要使缺口 和摆锤冲刃对准。将摆锤举起同空打时的位置，打开锁 杆。使摆锤落下，冲断试件。
• 铸铁作为脆性材料的代表，在常温、静荷下做拉伸实验。将试件安装在试 验机的上下夹头中，加载后，观察试件的受力、变形直至破坏的全过程。 在金相显微镜下观察断口组织和形貌。
第十一页，共二十九页。
4.实验 步骤 (shíyàn)
• 了解拉伸试验机的结构和原理，掌握操作方法。 • 安装试样在试验机上进行拉伸实验加载。 • 观察试样的宏观和微观断口。
1. 实验 目的 (shíyàn)
• 了解材料在拉伸应力状态下的脆性趋向。
• 观察、比较低碳钢(20钢) 的拉伸过程及破坏(pòhuài)现象。 • 观察韧性断裂断口形貌。
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课程教案课程名称：材料失效分析实验任课教师：刘先兰所属院（部）：机械工程学院教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期湖南工学院《材料失效分析》实验实验课程编码：学时：6适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等考核方式：一、实验课程的性质与任务帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。
二、实验项目实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）实验二零件失效的宏观分析法（2学时）实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）三、实验报告要求每个实验均应写实验报告。
按统一格式，采用统一封面和报告纸。
实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。
四、其它要求实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。
五、教材和参考资料1教材：《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.2．参考资料：[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.[4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.[5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因【1】实验的目的和要求1）目的通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。
2）要求要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。
能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。
【2】实验内容或原理在失效件上切片，制备相关金相试样。
金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。
一、材料失效分析方法分类一）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. 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。
（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。
2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法这是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。
3. “四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。
（1）操作人员情况的分析如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。
（2）环境情况的分析主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。
温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。
（3）设备情况的分析主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。
（4）管理情况的分析如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。
二）系统工程的分析思路及方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。
失效系统工程分析法主要类型：（1）故障树分析法（简称FTA法）（2）特征—因素图分析法（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）（4）故障率预测法（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）（6）模糊数学分析法三）数理统计分析思路及方法相关性：二、失效分析的一般程序机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。
一般说来，大体上包括：1）调查失效事件的现场，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）综合归纳所有信息并提出初步结论，5）重现性试验或证明试验，6）确定失效原因并提出建议措施，7）写出分析报告等内容。
三、失效分析的步骤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）询问且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。
2、收集背景材料（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，除了在应写得条理清晰、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增况的调查、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。
机械产品的失效分析报告通常应包括的内容（1）概述首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。
（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。
（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。
（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。
（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。
四、国际上比较公认的分析程序材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。
以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。
这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。
Brooks失效分析程序说明如下：（一）失效情况的描述以技术文件的形式记述失效的历史情况。
如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。
特别是有关的照片资料和多媒体资料。
（二）裸眼观察失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。
（三）机械设计分析（应力分析）当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。
这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。
（四）化学成分设计分析据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。
（五）制造过程及其各工艺环节分析错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。
（六）宏观断口形貌检查在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。
（实验二）（七）微观断口分析包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。
通常都是采用电子显微镜分析。
（实验三）（八）金相检验金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。
金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。
（实验一）（九）性能检验性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。
在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。
（实验三）（十）失效分析模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。
这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。
五、金相分析技术的应用1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因六、金相分析用设备1、光学显微镜观察在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为15×15×15mm。
将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4％HNO3＋C2H5OH溶液（此为镁合金，不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。