零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断
机械零件失效形式及诊断
机械零件失效形式及诊断1. 引言机械零件是任何机械设备中最关键的组成部分之一。
随着机械设备的运行时间增加，零件的失效概率也会增加。
因此，了解机械零件的失效形式以及如何进行诊断对于设备的维护和保养至关重要。
本文将讨论常见的机械零件失效形式以及相应的诊断方法，希望能给读者提供一些有益的知识和实用的技巧。
2. 机械零件失效形式2.1 磨损失效磨损是机械设备常见的失效形式之一。
机械零件在长时间的摩擦和磨损中会出现磨损现象，导致零件尺寸变小、表面质量下降等问题。
常见的磨损形式包括表面磨损、疲劳磨损和焊接磨损等。
2.2 塑性变形失效塑性变形是指机械零件在受外力作用下发生塑性变形，导致零件形状和尺寸的永久性变化。
塑性变形常见的形式有弯曲、扭转和压扁等。
2.3 断裂失效断裂是机械设备中最严重的失效形式之一。
机械零件在受到较大的外力作用下可能会发生断裂，导致机械设备无法正常工作。
常见的断裂形式包括静态断裂、疲劳断裂和韧性断裂等。
2.4 腐蚀失效腐蚀是指机械零件在介质中受到化学反应导致金属表面发生腐蚀破坏的现象。
腐蚀会导致机械零件的表面质量下降、尺寸变化等问题。
3. 机械零件失效的诊断方法3.1 监测技术通过使用各种监测技术，可以实时监测机械零件的工作状态和性能参数。
这些监测技术包括振动监测、噪声监测、温度监测等。
通过对监测数据的分析和比对，可以及时发现机械零件的异常情况，进而进行相应的维修和更换。
3.2 检查和观察定期的检查和观察是诊断机械零件失效的有效方法之一。
通过检查和观察，可以发现机械零件的磨损、变形、断裂等异常情况。
同时，还可以观察机械零件的润滑情况、磨损程度等。
这些信息对于及时诊断并防止机械零件失效具有重要意义。
3.3 非破坏性检测技术非破坏性检测技术可以在不破坏机械零件的情况下检测其内部的缺陷和损伤。
这些技术包括超声波检测、磁粉检测、射线检测等。
通过分析和评估检测结果，可以及时发现机械零件的问题，并采取相应的修复措施。
金属零件失效分析
未及时发现和修复金属零件的损伤，可能使其在使用过程中发生突 然失效。
其他原因分析
材料缺陷
金属材料本身存在的缺陷，如夹杂物 、偏析等，可能导致其在使用过程中 发生失效。
外力损伤
金属零件在使用过程中受到外力损伤 ，如撞击、挤压等，可能导致其发生 变形或断裂。
04
金属零件失效预防措施
研究展望
• 针对新型金属材料（如高强度轻质合金、非晶合金等）的失效问题，需要深入 研究其失效机制和规律，建立更加完善的失效分析方法。
• 随着无损检测技术的发展，未来可以利用更加先进的检测手段（如超声检测、 X射线检测等）对金属零件进行早期预警和实时监测，提高失效预测的准确性 和及时性。
• 在失效分析过程中，应加强计算机模拟技术的应用，通过建立数值模型和仿真 分析，对金属零件的失效过程进行模拟和预测，为实际应用提供更加可靠的依 据。
目的和意义
通过对金属零件失效的分析，可以找 出失效原因，预防类似失效的再次发 生，提高机械装备的可靠性和安全性 。
同时，失效分析还可以为新材料的开 发和现有材料的改进提供理论依据和 实践指导，促进材料科学的发展。
02
金属零件失效类型
断裂失效
总结词
断裂失效是金属零件最常见的失效形式之一，表现为零件在应力作用下发生的 断裂现象。
磨损和腐蚀失效分析涉及对金 属零件表面形貌、成分、硬度 等方面的检测，以确定磨损和 腐蚀的原因和程度，并提出相 应的防护措施。
某化工设备中的金属管道在使 用过程中发生严重磨损和腐蚀 ，导致介质泄漏。通过失效分 析发现，管道内壁存在介质冲 刷和腐蚀性物质的共同作用， 导致表面损伤。
建议加强管道内壁防腐涂层保 护；同时优化介质输送方式， 减少对管道内壁的冲刷磨损。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件是广泛应用于各种机械、仪器设备和工程建设中的零部件。
然而，由于环境、载荷和使用条件等因素的影响，金属件在运行中可能会发生失效。
本文将从金属件的失效形式入手，探究金属件失效的原因及防范措施。
1.疲劳失效疲劳失效是指在长期交替载荷作用下，金属件内部发生微小裂纹，最终导致裂纹扩展至金属截面，导致零部件失效。
疲劳失效与材料的强度、硬度、韧性等有关。
同时，载荷的幅值、频率和持续时间等也会对其产生影响。
在防范疲劳失效中，应注意减小内部应力集中的情况，控制材料的相关参数，调节载荷状况，以及定期进行检测和维护。
2.腐蚀失效腐蚀失效是指金属件在特定环境、温度和湿度下，遭受化学或电化学腐蚀作用，导致零部件出现腐蚀、破损等情况，对机械功能产生负面影响。
在防范腐蚀失效中，应注意选用抗腐蚀性能好的材料，加强物件工艺与表面处理，提高储存条件和周检等。
3.磨损失效磨损失效是指金属件表面与其他表面摩擦所产生的磨擦力，在长期作用下，导致金属表面破损、磨损，影响零部件的性能和寿命。
在防范磨损失效中，应注意加强材质选择，提高工作精度、加强润滑与检查保养。
4.变形失效变形失效是指金属件受到太大的载荷、挤压等因素，导致其变形、变形过大、折断等失效情况。
在防范变形失效中，应注意控制峰值载荷，加强温度控制，支撑力和固定力均匀等。
热疲劳失效是指长期高温下，金属件内部发生热应力、热膨胀等变化，导致零部件的性能明显变化或失效。
在防范热疲劳失效中，应注意在设计材料、加工工艺、温度控制等方面进行调整与优化，定期进行检查。
综上所述，金属件失效形式多种多样，原因也各不相同。
为了保证金属件的正常运转，应该建立完善的质量控制体系，加强对金属件的定期检测和维护，优化金属件的设计与加工工艺，选用质量高、耐用性好的材料，并采取相应的防范措施，以此来减少和避免金属件的失效发生，提高其使用寿命和安全性。
金属材料失效分析
金属材料失效分析
金属材料是工程领域中常用的材料之一，但在实际使用过程中，金属材料可能
会出现各种失效现象，影响其使用性能和安全性。
因此，对金属材料失效进行分析具有重要意义。
本文将从金属材料失效的原因、常见失效形式以及分析方法等方面进行探讨。
首先，金属材料失效的原因主要包括内在因素和外在因素。
内在因素包括材料
的组织结构、化学成分、加工工艺等，这些因素可能导致材料在使用过程中出现断裂、蠕变、疲劳等失效形式。
外在因素则包括环境条件、工作载荷、温度变化等，这些因素也会对金属材料的性能产生影响，导致失效现象的发生。
其次，金属材料常见的失效形式包括断裂、蠕变、疲劳、腐蚀等。
断裂是指材
料在外部受力作用下出现破裂现象，主要包括静态断裂和疲劳断裂两种形式。
蠕变是指材料在高温和持续加载条件下发生塑性变形的现象，容易导致构件变形和失效。
疲劳是指材料在交变载荷下发生的断裂现象，是一种常见的失效形式。
腐蚀则是指金属材料在化学介质中受到侵蚀，导致材料表面产生损伤和腐蚀失效。
最后，针对金属材料失效的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
实验
分析是通过对失效样品进行金相分析、断口分析、物理性能测试等手段，来确定失效原因和形式。
而数值模拟则是通过建立材料的本构模型、载荷模型等，利用有限元分析等方法进行模拟，预测材料的失效行为和寿命。
综上所述，金属材料失效分析是工程领域中的重要课题，对于提高材料的可靠
性和安全性具有重要意义。
通过对金属材料失效原因、失效形式和分析方法的深入了解，可以有效地预防和解决金属材料失效问题，保障工程结构的安全可靠运行。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究引言：在现代工业生产中，金属件广泛应用于各种机械设备中，承载着巨大的力和压力。
由于各种原因，金属件在使用过程中可能会出现各种不同的失效形式，影响设备的正常运行。
研究金属件的失效形式对于改善产品质量、提高生产效率至关重要。
本文将探究金属件常见的失效形式及其原因。
一、金属件的常见失效形式：1. 塑性变形：金属件在受到外力作用下发生塑性变形是一种常见的失效形式。
当金属件受到过大的载荷时，超过了其强度和硬度的极限，就会发生塑性变形，导致零部件变形失效。
塑性变形有屈服、蠕变、断裂等几种类型。
2. 疲劳破坏：金属件长时间受到交变载荷的作用，会引起疲劳破坏。
疲劳破坏是金属件在交变载荷下发生裂纹形成并扩展，导致分离或断裂。
疲劳破坏常发生在金属件表面、孔洞和切口等应力集中区域，如螺纹孔、焊缝等处。
3. 特殊环境腐蚀：金属件在特殊环境中（如高温、湿润、酸碱等）会发生腐蚀，导致金属局部失效。
腐蚀有很多种类型，如电化学腐蚀、氧化腐蚀、碳化、硫化等。
4. 渗碳层剥落：金属件表面渗入碳，形成硬度高、耐磨损的渗碳层。
在使用过程中，渗碳层会受到外力和热效应的影响，导致渗碳层剥落，降低金属件的使用寿命。
5. 轴承失效：轴承是金属件中常见的零部件，其失效形式包括磨损、疲劳、断裂等。
轴承失效会引起设备振动增大、摩擦增加等故障。
二、金属件失效形式的原因：1. 金属材料质量不合格：金属材料的质量是保证金属件正常使用的基础。
材料中的含杂质、非金属夹杂物和缺陷等都会导致金属件的强度和韧性下降，增加失效的风险。
2. 设计不合理：金属件的设计不合理是造成失效的另一个重要原因。
如设计的载荷超过了金属材料的承载能力、几何形状不合理导致应力集中等，都会导致金属件的失效。
3. 使用条件不恰当：金属件在使用过程中受到的载荷、震动、温度、湿度等环境条件都会影响其失效形式。
如超负荷使用、温度过高等都会导致金属件的疲劳破坏和腐蚀失效。
4. 加工工艺不合理：金属件的加工工艺是决定其性能和质量的关键因素之一。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究1. 疲劳失效：金属在循环加载作用下会逐渐出现疲劳裂纹，导致零件失效。
常见的疲劳失效形式有疲劳断裂、疲劳弯曲、疲劳磨损等。
2. 塑性变形失效：当金属受到较大的力或冲击时，会发生塑性变形，导致零件失去原有的形状和功能。
常见的塑性变形失效形式有塑性弯曲、塑性变形、塑性流动等。
3. 腐蚀失效：金属在潮湿环境中容易发生腐蚀，进而导致零件的表面产生疏松、氧化等现象，甚至腐蚀穿孔导致整个零件失效。
4. 熔化失效：金属在高温条件下容易熔化，导致零件失去结构和功能。
常见的熔化失效形式有熔化断裂、熔化扭曲等。
5. 渗透失效：由于材质的不均匀性或者制造工艺不当，会导致金属件内部产生裂纹或孔洞，从而影响其力学性能和使用寿命。
6. 强度不足失效：当零件设计或制造过程中强度不足时，会导致金属件在受力时发生形变、变形或破裂，进而造成失效。
7. 焊接失效：金属件在焊接过程中可能会出现焊接不良、焊缝裂纹、焊接变形等问题，进而导致零件的焊接失效。
在实际应用中，为了避免金属件的失效，可以采取以下措施：1. 合理设计：在设计金属件时，应充分考虑受力情况、工作环境等因素，合理确定材质、尺寸和结构，以提高零件的强度和可靠性。
2. 优化制造工艺：在金属件的制造过程中，应严格控制工艺参数，避免产生质量缺陷，提高零件的品质。
3. 加强表面防护：采用适当的表面处理方法，如涂覆防腐剂、镀层等，以增强金属件的抗腐蚀能力。
4. 定期检验和维护：对金属件进行定期检验，及时发现问题并采取维修或更换措施，以保证零件的正常工作和使用寿命。
总之，了解金属件失效的形式和原因，对于提高金属件的可靠性和使用寿命具有重要意义，可以指导设计、制造和使用过程中的科学决策。
第三章金属构件常见失效形式及其
第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。
常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。
下面将对这些失效形式进行详细介绍。
疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。
这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。
疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。
为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。
蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。
蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。
为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。
腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。
腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。
腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。
为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。
磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。
磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。
为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。
断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。
断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。
为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式可分为四种：断裂、变形、疲劳和腐蚀。
本文将对这四种失效形式进行探究。
一、断裂断裂是金属件失效最常见的一种形式。
主要有静态断裂和疲劳断裂两种。
1. 静态断裂静态断裂是指在金属件承受静态载荷时发生的断裂。
静态断裂主要有几种形式：拉断、剪断和压断。
拉断是金属件在拉伸载荷作用下发生的断裂，一般发生在材料的强度不足处，由于应力集中造成的。
剪断是金属件在剪切载荷作用下发生的断裂，常见于螺栓连接处。
压断是金属件在受到压缩载荷作用下发生的断裂，常见于轴承连接处。
2. 疲劳断裂疲劳断裂是指金属件在循环载荷作用下发生的断裂。
疲劳断裂的特点是在应力远低于金属的屈服强度下，由于长期循环应力的积累使金属产生微小裂纹，最终导致断裂。
疲劳断裂常见于金属复杂循环应力的作用下，如车轮、飞机机翼等工程结构。
二、变形变形是金属件在外力作用下发生的形状改变。
主要有塑性变形和弹性变形两种。
1. 塑性变形塑性变形是指金属件在外力作用下，应力超过材料屈服强度时发生的形状改变。
塑性变形一般是可逆的，即在外力作用取消后，金属件会恢复到原来的形状。
塑性变形常见于金属的拉伸、压缩和弯曲等加工过程。
三、疲劳疲劳是金属件在循环载荷作用下发生的形状改变，不同于疲劳断裂，疲劳主要表现为材料的硬度和强度下降。
疲劳常见于金属循环载荷作用下的材料，如弹簧、扭矩杆等。
疲劳的形成主要有以下几个因素：1. 材料内部的缺陷如夹杂、孔洞等，会导致应力集中，从而加速材料的疲劳损伤。
2. 应力幅值和应力集中是材料疲劳的重要因素，应力幅值越大，材料疲劳程度越严重。
3. 材料表面的处理和涂层可以增加材料的抗疲劳能力。
四、腐蚀腐蚀是指金属表面与周围环境中的化学物质发生反应，导致金属的表面和内部发生物理或化学性质的改变。
腐蚀可分为常温腐蚀、高温腐蚀和电化学腐蚀等。
腐蚀对金属的影响主要有以下几个方面：1. 降低了金属的强度和硬度。
2. 引起金属表面的裂纹和脆化，导致疲劳断裂。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式有很多种，常见的有疲劳失效、腐蚀失效、磨损失效、松动失效、断裂失效等。
下面分别进行探究：1、疲劳失效：当金属构件受到外力的反复循环作用时，在外力的作用下，材料内部原子结构发生变化，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致构件失效。
疲劳失效是金属零件最常见的失效形式之一，特别是在机械振动和反复载荷下易发生。
2、腐蚀失效：金属构件在存在腐蚀介质的环境下，其表面会产生化学反应，导致金属壁厚减薄，最终导致零件失效。
腐蚀失效有许多形式，如氧化腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等。
3、磨损失效：金属构件在运行过程中，由于受到摩擦和剪切等力的作用，使得材料表面发生不同程度的磨损，从而减少材料壁厚和尺寸，最终导致零件失效。
磨损失效分为表面磨损和体积磨损两种，表面磨损包括磨损、腐蚀磨损和磨粒石磨损，体积磨损包括疲劳磨损和金属疲劳。
4、松动失效：金属构件在运行过程中由于振动、冲击等荷载作用，或由于其他原因导致连接处的螺栓、销轴、齿轮等零件发生位移，出现松动等现象，从而导致零件失效。
松动失效是很常见的设备失效形式之一，是由于零件之间的连接松动导致对未来运行产生严重的后果。
5、断裂失效：当金属构件受到超载或者由于其他原因导致产生裂纹时，金属材料在裂纹处发生断裂，这种失效形式称为断裂失效。
断裂失效位置通常在应力集中处，包括冲击断裂、塑性断裂、脆性断裂等几种类型。
断裂失效发生后，易导致整个设备的失效。
综上所述，金属件的失效形式是多种多样的，每种形式都有着不同的失效机制和特点。
在实际应用中，对不同失效形式进行预防和控制是保持机器设备长寿命和安全运行的必要手段。
金属构件失效分析精简版
第一章1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。
2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。
5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断第二章1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。
细小的缩孔称为疏松。
b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。
c内裂纹d气泡和白点2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。
第三章金属构件常见失效形式及其
以滑移方式形成微孔汇合模型
• 韧窝的形状
– 等轴形 – 剪切长形 – 撕裂长形
等轴韧窝
剪切韧窝
撕裂韧窝
（1） （2） （3）
（1）受载后，应力接近局部破坏 时，形成微孔
（2）微孔连接，形成断裂 （3）断口上下面的微孔形貌—韧
3）弹性变形失效原因及防护措施
– 失效原因
• 过载 • 超温 • 材料变质
构件原设计考虑不当，计算错误或 选材不当造成的
– 防护措施
• 选择合适的材料或构件结构：E高的材料不易变形 • 确定适当的构件匹配尺寸或变形的约束条件 • 采用减少变形影响的连接件：皮带传动、软管连接
3.2.2 金属构件的塑性变形失效
– 斜断裂
• 宏观断面取向与最大切应力方向一致，与最大正应力呈 45°角
• 滑移形变不受约束或约束较小，平面应力下的断裂
直径较大、没 有缺口及缺陷 的光滑圆棒试 样，慢应变拉 伸，韧性好
杯锥状断裂（正断与切断结合）
(a) 颈缩
(b) 空穴形成
(c)空穴长大形成裂纹
(d)裂纹扩展
(e)形成杯锥断口
❖带缺口圆棒拉伸试样
– 由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展 – 断口特征
• 外周为纤维区 • 向内扩展 • 破坏区在中心 • 无剪切唇
• 板状拉伸试样
不 同 厚 度 的 板 状 拉 伸 试 样 断 口 特 征
• 带缺口的板状拉伸试样的断口
解理断裂断口
裂纹源
人字条纹
带缺口试样，发生明显塑性变形
（1）过量的弹性变形失效
– 定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值 – 判断依据
• 失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求 • 观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤
零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断
判断方法
通过观察疲劳断口的形貌和特征、分析疲劳裂纹扩展的过程和 规律，以及进行疲劳性能测试等方法来判断疲劳失效的原因。
03
金属构件失效判断方法
外观检查
直接观察
通过目视或放大镜观察金属构件表面是否存在裂纹、变形、腐蚀 等异常现象。
触摸检查
通过触摸感受金属构件的表面粗糙度、温度等变化，判断是否存 在异常。
弯曲试验
通过弯曲金属构件，测定其弯曲强度 、韧性等力学性能指标，判断其是否 满足设计要求。
金相分析
微观组织观察
通过金相显微镜观察金属构件的微观组织结构，分析其晶粒大小、相组成等， 判断其力学性能和耐腐蚀性能。
夹杂物分析
通过金相法或化学分析法测定金属构件中夹杂物的成分、形态和分布，判断其 对金属性能的影响。
详细描述
通过定期检查，可以及时发现金属构件的 损伤和异常情况，采取相应的修复和更换 措施，避免因小问题积累导致的大规模失 效。同时，合理的维护和保养也可以延长 金属构件的使用寿命。
05
案例分析
断裂失效案例
总结词
断裂失效是指金属构件在应力作用下发生的突然断裂现象。
详细描述
断裂失效通常是由于金属材料内部存在缺陷，如裂纹、夹杂物等，在应力集中或交变应 力的作用下，裂纹扩展导致金属构件断裂。断裂失效案例包括桥梁断裂、压力容器爆炸
判断方法
通过观察磨损表面的形貌和特征、分析磨损产物的成分和结构，以及进行摩擦学性能测试等方法来判断 磨损失效的原因。
疲劳失效
总结词
疲劳失效是指金属构件在循环载荷作用下发生的疲劳断裂 现象。
详细描述
疲劳失效通常是由于金属材料内部的应力集中和循环载荷的共 同作用，导致材料内部的微裂纹扩展和断裂的产生。疲劳失效
常见失效形式及特征和诊断
材料的韧性与断裂设计
三、裂纹扩展的能量判据
断裂的能量判据 裂纹失稳扩展条件： GriffithG≥R R=γs Orowan修正G≥R R=2(γs＋γp) 断裂的能量判据 ：GI≥GIc GIc=或GIc= 2(γs+γp) 当GI增大，达到材料对裂纹扩展的极限抗力时，裂
纹体处于临界状态。此时，GI达到临界值GIC，裂 纹体发生断裂 GIC的单位为J／mm2，与冲击韧性的相同，故可将GIC 称为断裂韧性。
失效分析
Griffith断裂理论
分析： 根据能量平衡原理，裂纹扩展增加的表面能与系统弹性能 相平衡，可以据此计算出断裂应力与裂纹尺寸的关系 σ c=(2Eγ /π a)1/2 Griffith公式 还可计算临界裂纹半长为ac=2Eγ/πσ2
失效分析
1.σ c是含裂纹板材的实际断裂强度，它与裂纹半长的平 方根成反比
失效分析
断裂过程
裂纹亚稳扩展时，裂纹扩展阻力大，da/dt较小； 裂纹失稳扩展时，裂纹扩展阻力小， da/dt大，
最大可达该材料的声速。 韧断时，裂纹的亚稳扩展阶段较长，裂纹的扩
展与塑性变形同时进行，故有明显的塑性变形， 断裂慢。 脆断时，几乎没有亚稳扩展阶段，故无明显塑 性变形，断裂快。
失效分析
3.2.2特征及判断 失效件有明显的塑性变形
测量失效件或与正常件比较 严重的塑性变形用肉眼判别
失效分析
3.2.3过载压痕损伤——屈服失效的特殊形式 两个互相接触的曲面之间存在静压应力，
使匹配的一方或双方产生局部屈服形成局 部的凹陷。
例 滚珠轴承在开始运行前如果静载过大，钢球 压入滚道使型面破坏
材料的弹性模量、热膨胀系数 增加截面积、降低应力
机械零件失效的四种形式
①选择 合 适 的材 料 和 构 件 结 构 ， 采 用 如
Ｅ值高的材料或者增加承载面积
②准确 确 定 构 件 的工 作 载 荷 ， 确 进 行 正
应 力计 算 。
③严格 工艺 流程 ， 减少残 余应 力 等 。
２ 断 裂
断裂是 金属 构件 在应 力 作 用 下 材料 分 离 为互 不 相 连 的 两 个 或 两 个 以 上 的 部 分 的 现
期存放 不用 ， 必须 按 以下 要 求 进 行保 养 和检
查：
（） ５ 放净燃油及冷却水 （ 如加注的防锈 防 冻液 ， 则不要放） 。 （） ６ 门架降到最低位置。
（） ７ 刹住停 车制 动 。 （） 后轮 胎用楔 块 垫好 。 ８前
一
ｌ 叉车长期存放注意事项
除按《 使用维护说明书》 司机手册》 和《 中 关于“ 存放” 要求的“ 日常存放” 基础外 ， 还应 做下列保养和检查 ：
进行 后处 理工 艺 。即 表面 强 化工 艺 如感 应 热 处理 、 化学 热处 理 、 丸 等 。③ 对 于 承受 热 疲 喷
性、 单质性、 变形量小 等特点 ， 以造成 的危 所
害性不 大 。而塑性变 形 是 不 可逆 的变 形 即卸 去 外载 荷后 变形不会 消失 。这 样 的过 量 变形 就会 影 响构件 使用功 能 。
（） 季需停放 在 较高 且 干燥 的地 方 ， １雨 夏 季避免将 车辆 停 放在 软 质 地 面 上 ， 沥 青 地 如
（） ９ 即使长期不使用时， 也应每星期开动 次车辆 。开动时 ， 装上电瓶 ， 擦掉油缸活塞
杆上的防锈剂 ， 加满燃油及冷却水（ 冷却水 已 排掉）启动发动机 ， ， 使其完全预热。操作时， 应将车辆 前后开几 趟 ， 同时将 门架、 液压 系 统、 各操作件运动几次 ， 检查是否有渗漏等异 常现象 ， 使其保持 良好状态。 （０若叉车储存半 年以上不用 ， １） 则应对 车辆全面检查一次。检查各种橡胶 件、 密封
金属构件常见失效形式
要方式有表面滑移带形成,第二相、夹杂物或其界面开裂,晶界 或亚晶界开裂及各类冶金缺陷,工艺缺陷等.
图3-29 滑移带中产生的 “挤入”及“挤出”示意
42
★疲劳裂纹的扩展 是一个包括滑移塑性形变与不稳定断裂 交替作用的复杂过程,通常有切向扩展和正向扩展两个阶段.
预防应力松弛失效的措施：
选用松弛稳定性好的材料；
对使用过程中的构件进行 一 次或多次再紧固.
图 3-6 金属的应力松弛曲线
§3.2 断 裂 失 效
12
§3.2 断裂失效
断裂 是金属构件在应力作用下材料分离为互不相连
的两个或两个以上部分的现象.
断裂的危害：甚大,特别是脆性断裂.
断裂过程：裂纹萌生、裂纹亚稳扩展及失稳扩展、 断裂.
境
荷
应力 大小
高应力疲劳 低应力疲劳
38
四 疲劳断裂
拉伸疲劳 拉压疲劳 弯曲疲劳 扭转疲劳 混合疲劳
1. 疲劳断裂的现象及特征
1) 载荷是交变负荷.
39
1 疲劳断裂特征
40
2) 疲劳断裂是在负荷多次循环后发生的<累进式>.
疲劳曲线
3) 疲劳断裂是劳裂纹萌生、扩展和瞬时断裂三个阶段.
几乎所有的解理断口上均有二次裂纹.
★ 河流条纹 河流流向是裂纹的扩展方向,上游是裂纹源.
33
★ 舌状花样 材料脆性大、温度低,临界
变形困难时, 晶体变形以形变孪 晶方式进行, 易形成解理舌状花 样.
图3-23 解理舌状花样形成示意图
★ 其它花样
34
图3-24 青鱼骨状花样 SEM 2000X
河流花样
零件失效分析4金属构件常见失效形式及其判断
✓ 氢蚀 环境气氛中的氢在高温下进入金属内部， 夺取钢中的碳形成甲烷
✓ 氢疱
材料内部的氢于表皮下析出并转变成分 子氢，产生的高压使表层鼓起
✓ 可逆性氢脆
材料内部的氢以间隙固溶体的形式存在， 缓慢加载时，原子氢由固溶体中析出并结
合成分子状态
特点：
在一定温度范围内出现 慢速加载时明显
明显的延迟断裂性质
✓ 每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生 应力腐蚀；
✓ 应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件； ✓ 应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂； ✓ 特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC； ✓ 应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-6~10-3mm/min； ✓ 应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；
✓ 过载断裂失效断口的一般特征
塑性断裂
宏观 微观
杯锥状断口 微孔聚集型断口
脆性断裂
宏观 微观
结晶状断口 解理断口
常见形貌特征：
✓ 影响过载断裂失效特征的因素 材料性质的影响 零件形状与几何尺寸的影响 载荷性质的影响 环境因素的影响
➢ 材料致脆断裂失效分析
材料选用不当 制造过程中工艺不正确
螺栓等紧固件、轴承
弹性变形失效的原因及预防措施
原因：过载、超温、材料
设计考虑不周、计算错误、选材不当 预防？
✓ 选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度
✓ 采用减少变形影响的连接件（皮带传动、软管连接、 柔性轴）
变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性变形的特点 ➢ 塑性变形失效
容易鉴别
金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值
•裂纹起始于外表面，向内壁扩展，有的已经穿透壁厚； •断口的电子显微特征为穿晶解理； •断口上的腐蚀产物主要Fe2O3，并有氯元素富集； •冷却水为黄浦江水，含有大量氯离子。
3.3-4 金属构件常见失效形式
18
闭塞电池形成后，孔内外物质交换更困难, 只 有Cl－(半径很小)可穿过沉积物进入孔内； 金属氯化物不断增浓, 水解后使溶液的酸度进 一步提高, 有时甚至可使pH值接近于零； 高浓度的酸液急剧地加快孔的溶解速度； 这种孔内所谓闭塞电池的“ 自催化酸化作用” 使蚀孔沿重力方向迅速深化, 可把金属断面蚀穿。
27
碳钢在海水中缝隙腐蚀过程示意图
28 开始，缝内外发 生均匀耗氧腐蚀 缝内阳极反应 Fe→Fe2+＋2e 缝外阴极反应
O2＋2H2O＋4e→4OH－
缝内介质滞留，氧进 入困难, 耗氧腐蚀停止 形成宏观氧浓差电池 内为阳极, 外为阴极 小阳极大阴极, 缝 内金属, 腐蚀加剧 自催化酸化腐蚀 这些沉淀物沉积 于缝口,缝口缩小 缝洞→闭塞电池
8
在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为孔蚀(或点 蚀)。孔蚀是一种以小阳极大阴极腐蚀电池引起的阳极区高度集 中的局部腐蚀形式。 工程金属材料对孔蚀都是敏感的，易钝化的金属在有活性 离子与氧化剂共存的条件下，更易发生孔蚀。
1. 孔蚀的特征
1) 腐蚀的蚀孔小，蚀孔出现在朝上表面，很少出现在朝下 表面，蚀孔具有向深处自动加速的作用； 2) 孔蚀一般出现在构件表面局部区域，或分散或密集； 3) 孔蚀伴有轻或中度全面腐蚀时，腐蚀产物常遮盖住孔 蚀；
4. 孔蚀的影响因素
1) 构件的材料成分、组织、冶金质量、表面状态
① 钝化金属材料孔蚀敏感性较高，如铬镍奥氏体不锈钢；
19
→钼、铬、镍、氮等合金元素能提高不锈钢抗点蚀的能力， 硫、碳等元素会降低不锈钢的抗点蚀能力。 ② 有害元素及各种偏析、夹杂物等缺陷容易引发孔蚀； →提高钢的冶金质量有利于提高抗点蚀能力。 ③ 在相当于碳化物析出的温度下热处理，点腐蚀数目增多； → 固溶处理可提高抗点蚀能力。 ④ 粗糙表面要比光滑的表面容易引发孔蚀。
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空拉
充氢慢拉伸
➢ 氢致脆断的断口形貌特征
宏观： 鱼眼形貌 起泡
微观： 鸡爪花样 解理 准解理 沿晶
➢ 氢致脆断的断口形貌特征
A F
D
B E
C
低熔点金属的接触致脆断裂失效
金属材料（钢、钛合金、铜合金等）在承受应力 的同时与低熔点金属（铅、锡、镉、水银等）接触 ， 引起材料脆化并导致断裂。
松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。
结构上补偿胀缩方法举例
断裂失效
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析 ➢ 材料致脆断裂失效分析 ➢ 环境致脆断裂失效分析 ➢ 混合断裂失效分析
疲劳断裂失效分析
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析
工作载荷超过构件危险截面所能承 受的极限载荷时，构件发生的断裂
➢ 应力腐蚀开裂 ➢ 应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 ➢ 应力腐蚀开裂的断口形貌特征 ➢ 应力腐蚀开裂失效分析
工作应力、残余应力、热应力
应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成 的破坏形式。
静止应力—应力腐蚀开裂（SCC）；
循环应力—腐蚀疲劳（CF）；
特点：
局部腐蚀 断裂有突发性
具体实例？
实例1
1921年就有硝酸盐引起低碳钢应力腐蚀开裂的事故报 道。低碳钢在硝酸盐溶液中发生阳极溶解的同时，在 表面形成一层Fe2O3保护性薄膜：
条件： 长时间接触 存在拉应力和较高的温度条件 存在一定的环境体系 低速加载
工业不锈钢耐应力腐蚀开裂性能的比较
型号
310
型号
314
305
型号
309
304
316
3041
347
347-2
1
10
100
1000
断裂时间（小时）
40
外 应 加 力 30 （
310 18Cr/20Ni/Mo/Cu
310Mo 16Cr/12Ni 316
20Cr/30Ni/Mo/Cu 20Cr/34Ni
314
✓ 氢蚀 环境气氛中的氢在高温下进入金属内部， 夺取钢中的碳形成甲烷
✓ 氢疱
材料内部的氢于表皮下析出并转变成分 子氢，产生的高压使表层鼓起
✓ 可逆性氢脆
材料内部的氢以间隙固溶体的形式存在， 缓慢加载时，原子氢由固溶体中析出并结
合成分子状态
特点：
在一定温度范围内出现 慢速加载时明显
明显的延迟断裂性质
产生应力腐蚀开裂的材料－介质组合
金属或合金
低碳钢 低合金钢 奥氏体不锈钢 铜和铜合金 镍和镍合金 蒙乃尔合金 铝合金 铅 镁
腐蚀介质
NaOH, 硝酸盐溶液,(硅酸纳+硝酸钙)溶液 42% MgCl2溶液,HCN NaCl 溶液,海水, H2S水溶液 氯化物溶液,高温高压蒸馏水 氨蒸气,汞盐溶液,含SO2大气 Na,海水,水蒸气,含SO2大气Pb(AC)2溶液 海洋大气,蒸馏水,KCl-KCrO4溶液
✓ 冷脆金属的低温脆断
何种晶体结构的材料易发生？ 环境温度低于韧脆转变温度 构件几何尺寸较大，处于平面应变状态
宏观 结晶状，明显的镜面反光 断口特征
微观 解理断裂特征
低温脆断断裂分析
不是固定值
韧脆转变温度
材料的缺陷和晶粒是否粗大
方法？
采用系列冲击试验确定材料的实际韧脆转变温度
✓ 第二相质点致脆断裂失效
应力腐蚀裂纹的分叉特征
不锈钢的应力腐蚀开裂
核桃纹花样
泥状花样
铜锌合金锥管的应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂失效分析
详细了解材料的生产过程与处理工艺，掌握 材料成分、组织状态及杂质含量与分布
详细了解设备或部件的结构特点，加工、 制造、装配过程
详细了解设备及部件使用环境特点
断口和裂纹形态的宏观、微观分析，确定 断裂的特征
第4章 金属构件常见失效形式及其判断
❖ 变形失效 ❖ 断裂失效 ❖ 腐蚀失效 ❖ 磨损失效
变形失效
弹性变形失效 ➢ 弹性变形 ➢ 弹性变形的特点 ➢ 过量的弹性变形失效
构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值
刚度不足
判断困难
工程实例：
镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零 件的精度甚至造成废品；
变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性变形的特点 ➢ 塑性变形失效
容易鉴别
金属构件产生的塑性变形量超过允许的数值
鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷、歪扭畸变
塑性变形失效的原因及预防措施
原因：过载
措施：
✓ 合理选材，提高材料抵抗塑性 变形的能力；
✓ 准确地确定构件的工作载荷， 正确进行应力计算；
影响因素
●● 力学因素
（1）应力使材料发生形变，而形变使表面膜破裂。 应力与环境腐蚀的相互促进，才使得材料在很弱的 腐蚀性介质中发生破坏。
（2）临界应力σscc和临界应力强度因子KIscc低于某 临界值时，材料不发生开裂。
Kg/mm2
80
施 加
70
应
力 60
（
50
40 ） 30
20
10 0
0.1
脆性的第二相质点沿原奥氏体 晶界择优析出引起的晶界脆化 某些杂质元素沿晶界富集引起
的晶界弱化
断口特征
宏观 晶粒状 微观 沿晶断裂，晶界处第二相质点
➢ 环境致脆断裂失效分析
应力腐蚀开裂 氢致脆断失效 低熔点金属的接触致脆断裂失效 热脆失效 蠕变断裂失效
应力腐蚀开裂 ( Stress Corrosion Cracking )
1 0.5
0
20 40 60
铁素体量（%面积）
80 100
应力：25kg/mm2 沸腾：42%MgCl2
应力腐蚀开裂的断口形貌特征
宏观特征： ✓ 断口平直，断面与主应力方向垂直； ✓ 一般为多源，裂纹起源于表面腐蚀坑处； ✓ 断裂源区、裂纹扩展区、最后断裂区；
微观特征： ✓ 裂纹起始区大多有腐蚀产物，有时会观 察到网状龟裂的“泥纹花样”； ✓ 断口上经常出现二次裂纹； ✓ 应力腐蚀裂纹在扩展过程中发生分叉， 形成“树枝状”裂纹；应力腐蚀系统及影响因素 ✓ 穿晶、沿晶、混合型
10Fe+6NO3-+3H2O→5Fe2O3+6OH-+3N2 2Fe+NO3- → Fe2O3+0.5N2+e 如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力 腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上 形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀 都是沿晶开裂。
实例2
某化肥厂使用的90m3合成氨冷凝器，采用1Cr18Ni9Ti不 锈钢管作冷凝管，工作时氨由管内流通，管外壁用水冷 却，管壁温度约200 ℃，使用不到一年，发生了多根冷 凝管开裂。
✓ 严格按照加工工艺规程对构件 成形，减少残余应力；
承受内压的不锈钢管
轮齿齿面硬度，采用高粘度的或加有极压添加剂的 润滑油均有助于减缓或防止轮齿产生塑性变形。
变形失效
高温作用下的变形失效
金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈 服强度，也会慢慢地产生塑性变形，当变形量超过规定 的要求时，导致失效。
倾向增大； （4）干湿交替环境使有害离子浓缩，SCC更容易发生；
OF
温 度
400
300
347型
200
316型 100
0
20
40
60
80
100
120
产生破裂所需要的时间（小时）
温度对开裂诱发时间的影响，316及347型不锈钢 在含875ppm NaCl的水中
● ● 冶金因素
(1) 合金的化学成分、热处理、组织结构、加工状态 对其SCC敏感性都有影响。
齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常 啮合，加速磨损，增加噪声；
弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能 驱动作用。
螺栓等紧固件、轴承
弹性变形失效的原因及预防措施
原因：过载、超温、材料
设计考虑不周、计算错误、选材不当 预防？
✓ 选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度
✓ 采用减少变形影响的连接件（皮带传动、软管连接、 柔性轴）
✓ 蠕变变形失效
✓ 应力松弛变形失效
蠕变变形失效
金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应 力低于屈服点也会慢慢发生塑性变形，称为蠕变。
典型的蠕变曲线
晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移
蠕变空洞 蠕变断裂
蠕变变形 蠕变裂纹
1. 在三晶粒交汇处形成楔形裂纹－－应力集中理论 高应力＋较低温度
2. 在晶界上由空洞形成的晶界裂纹－－空位聚集理论 低应力＋较高温度
性能指标：
1. 蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不 致产生过量变形而失效。
2. 持久强度极限－断裂抗力指标
➢ 熔点高，晶体结构紧密 ➢ 形成固溶体，含有弥散相的合金 ➢ 改进冶金质量 ➢ 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度 ➢ 采用定向凝固技术获得粗大柱状晶
应力松弛变形失效：在总变形不变的条件下，构件弹 性变形不断转为塑性变形从而使 应力不断降低的过程。
材料选用不当 制造过程中工艺不正确
回火脆性断裂失效 冷脆金属的低温脆断 第二相质点致脆断裂失效
✓ 回火脆性断裂失效
AK
低温回火脆性
在250~400℃出现韧性下降
M及残余A分解时沿M针条边 界析出薄片状Fe3C有关
穿晶型准解理 目前尚无有效方法消除，只能尽 量避开在此温度范围内回火。
快冷
慢冷
300 500 650
➢ 氢的来源
冶炼 ✓ 水（空气、原料） ✓ 铁锈 ✓ 碳水化合物（燃料） 加工过程 ✓ 焊接、热处理 ✓ 酸洗和电镀 储运过程 ✓潮湿大气、海洋气候