材料失效分析

1.零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况:(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，虽然能够工作，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，不能确保安可靠性。如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。

2.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.

3.断口分析的任务（l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等（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）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；（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）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）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

4. 查找断裂源区是宏观分析的最重要环节

5.断口分析（1）利用碎片拼凑法确定主断面. 密合程度好的为后断的，密合最差的断面为最先开裂的断面，即主断面。（2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹. 如果在最初断裂件上分成几块或是存在两条以上的相互连接的裂纹，此时可以按照“T”形汇合法的原则加以判断.（3）按照裂纹的河流花样确定主裂纹. 通常的情况是，主裂纹较宽、较深、较长，即河流花样的主流。

6. （1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源（静载断裂或过载断裂）a.纤维区：位于断裂的起始部位；b放射区：是裂纹的快速扩展区；c剪切唇：最后断裂区。（2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区.板装试件或矩形截面----静载断裂----一组人字纹指向末端------裂纹源区（3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区.圆形试件、缺口冲击试件的静载断裂（或应力腐蚀及氢脆断裂）其撕裂棱线通常呈放射线状，其放射线中心----裂纹源（4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区.疲劳断裂----贝纹花样特征条---贝纹线形似一组同心圆---该圆心即为裂纹源（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）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（7）断口表面的损伤情况碰撞，摩擦等（8）断口的边缘情况剪切唇，毛刺等

7. 断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。

8. 导致金属零件发生脆性的解理断裂的原因（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）构件的工作温度较低，即处在脆性转折温度以下。（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。（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）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）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

9. 微孔型断裂（1）微孔型断裂的微观形貌微孔型断裂，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。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。（2）宏观脆性微孔型断裂的特点其微观电子形貌为细小、均匀分布的等轴型微孔，微孔的形成和连接时的塑性变量很小。这种断裂的特点是由高强度材料的组织特点决定的，----在固溶强化的基础上弥散分布着细小的第二相质点，质点的平均间距很小。----这种组织对于裂纹的敏感性非常大；裂纹顶端的应力集中现象很严重，其断裂的名义应力低于材料的

屈服极限，而其微观机制确是微孔聚集型。（4）宏观脆性微孔型断裂的预防措施预防高强度材料裂缝件发生微孔型断裂，主要从材料角度出发，提高材料的断裂韧度加以解决。1.纯化金属---减少有害杂质的含量；2.是有害杂质以固溶态存在；3.球化异相质点，并改变其分布状态；4.改变强化相的性质；5.发挥韧性相得作用。

10.准解理型断裂（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（2）断裂性质的判别（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）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）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）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。

11. 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。晶界有条状析出物晶界有“鸡爪”痕

12. 1.沿晶正向断裂典型形貌：冰糖块状，晶粒的多面体形状清晰、完整。典型的回火致脆断裂、金属的过热引起的粗晶脆断、蠕变断裂及富氧层引起的沿晶断裂等。2.沿晶的延性断裂典型形貌：晶粒间界的表面上存在有大量的微孔花样。3.脆性的第二相质点沿晶界析出引起的脆性沿晶断裂：晶粒间界的表面上存在有大量的第二相质点及质点脱落留下的空洞，----晶界有条状析出物，几乎不发生塑性变形。4.晶界与环境介质交互作用引起的沿晶断裂：晶界表面上具有特殊的产物及形貌特征，如氢化物致脆---“鸡爪”痕5.具有疲劳机制的沿晶断裂：疲劳纹和微坑特征（交变应力作用下疲劳纹沿弱化的晶界扩展引起的断裂）

13. 沿晶断裂失效的预防措施1.提高材料的纯洁度，减少有害杂质元素的沿晶界分布；2.严格控制热加工质量和环境温度，防止过热、过烧及高温氧化；3.减少晶界与环境因素间的交互作用；4.降低金属表面的残余拉应力，以及防止局部三向拉应力状态的产生。

14.过载断裂失效的定义当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂。明确：构件断裂的初始阶段是否是过载性质的断裂过载：工作应力超过构件的实际承载能力

15. 扭转和弯曲过载断裂断口特征韧性扭转过载断口，断面与轴向垂直，在断口上可见到明显的“漩涡”状；脆性扭转过载断口断面与轴向呈45，断裂起源于轴的台阶根部硬化层处；弯曲过载断裂的十字轴，在十字轴根部有明显的加工刀痕

16. 回火致脆断裂的特征宏观形貌特征：断面结构粗糙，断口呈银白色的结晶状，一般为观脆断。脆化程度不严重时，断口上也会出现剪切唇。典型微观形貌：沿奥氏体晶界分离形成的冰糖块状。晶粒界面上一般无异常沉淀物，因而有别于其它类型的沿晶断裂。但马氏体回火致脆断裂的解理界面上可能出现碳化物第二相质点及细小的韧窝花样。在断口上一般可见二次断裂裂纹。

17. 冷脆金属低温脆断的特征（1）冷脆金属低温脆断断口的宏观特征典型断口宏观特征为结晶状，并有明显的镜面反光现象。断口与正应力轴垂直，断口齐平，附近无径缩现象，无剪切唇。断口中的反光小平面（小刻面）与晶粒尺寸相当。马氏体基高强度材料断口有时呈放射状撕裂棱台阶花样。（2）冷脆金属低温断裂断口的微观形貌冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征，河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。对于一般工程结构用钢，通常所说的解理断裂，主要是在冷脆状态下产生。18. 第二相质点致脆断裂失效1、第二相质点致脆断裂的类型第二相质点致脆断裂是指由第二相质点沿晶粒间界析出引起晶界的脆化或弱化而导致的一种沿晶断裂。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19. 氢致脆断的断口形貌特征（1）宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色；实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此断口上常常包括这两种断裂的特征