非金属失效分析
失效分析课件总结版
第一章1. 失效的含义，分类，产品丧失规定的功能即为失效，分类为：按照失效发展的过程：早期失效，偶然失效；磨损失效1. (按照失效发生速度) 突发性失效、渐进性失效、间歇性失效；2.(按失效整体性) 系统性失效、部份性失效;3. (按失效可修复性) 暂时性失效、永久性失效；4. (按失效相关性)独立失效和从属失效，或者关联失效和非关联失效；5，按失效造成的后果：部份(退化)失效、彻底(恶性)失效、危（wei）险性(严重)失效、灾难性(致命)失效。
2.失效分析研究工作内容： (1)失效物理的研究：即从原子和份子的角度出发，来解释元件、材料失效的现象(2) 失效机理的研究：研究失效的物理、化学原因、失效过程及其影响因素。
(3)失效诊断的研究和失效预防工程技术方面的研究。
失效机理研究是基础，失效分析工作是实践，它们是促进整个失效分析工作以及失效理论向前发展的两个相辅相承的方面。
3.失效分析的内涵：1，失效分析(分析和查明产品的失效原因、失效机理、判断失效模式，研究并提出预防再失效的对策等技术活动和管理活动。
) 2；明确失效对象(在失效系统中寻觅并确认失效零件及其部位和失效过程) 。
3, 确定失效模式(失效模式是指失效的外在宏观表现形式和过程，可理解为失效的性质和类型。
)4, 研究失效机理(失效机理是指失效的物理、化学变化本质，其微观过程可追溯到原子、份子尺度和结构的变化。
他是对失效内在本质、必然性和规律性的研究。
失效模式与其有必然的联系)。
5, 找出失效原因(失效原因是指酿成失效甚至事故的直接关键性因素。
失效原因的查询和判断是建立在失效模式的确定和失效机理的分析基础上而得到科学结论。
)6, 提出预防措施(更清晰地认识使用材料、提出更合理的技术规范、改进材料的选用和工艺技术)4. :失效过程的特点：过程的不可逆性，过程的有序性，过程的不稳定性，过程的累计性。
失效原因的特点：必然性，双重性，实序性，普遍性。
机械零件的失效分析-学习领悟
机械零件的失效分析失效：零件或部件失去应有的功效零件在工作过程中最终都要发生失效。
所谓失效是指：①零件完全破坏，不能继续工作；②严重损伤，继续工作很不安全；③虽能安全工作，但已不能满意地起到预定的作用。
只要发生上述三种情况中的任何一种，都认为零件已经失效。
一般称呼失效大多是特指零件的早期失效，即未达到预期的效果或寿命，提前出现失效的过程。
失效分析：探讨零件失效的方式和原因，并提出相应的改进措施。
根据失效分析的结果，改进对零件的设计、选材、加工和使用，提高零部件的使用寿命，避免恶性事故的发生，带来相应的经济效益和社会效益。
一、零件的失效形式失效形式分3种基本类型：变形、断裂和表面损伤。
1、变形失效与选材（机件在正常工作过程中由于变形过大导致失效）①弹性变形失效（由于发生过大的弹性变形而造成的零件失效）弹性变形的大小取决于零件的几何尺寸及材料的弹性模量。
金刚石与陶瓷的弹性模量最高，其次是难溶金属、钢铁，有色金属则较低，有机高分子材料的弹性模量最低。
因此，作为结构件，从刚度及经济角度看，选择钢铁是比较合适。
②塑性变形失效（零件由于发生过大的塑性变形而不能继续工作的失效）塑性变形失效是零件中的工作应力超过材料的屈服迁都的结果。
一般陶瓷材料的屈服强度很高，但脆性非常大，因此，不能用来制造高强度结构件。
有机高分子材料的强度很低，最高强度的塑料也不超过铝合金。
因此，目前用作高强度结构的主要材料还是钢铁。
2、断裂失效①塑性断裂零件在受到外载荷作用时，某一截面上的应力超过了材料的屈服强度，产生很大的塑性变形后发生的断裂；②脆性断裂脆性断裂发生时，事先不产生明显的塑性变形，承受的工作应力通常远低于材料的屈服强度，所以又称为低应力脆断；③疲劳断裂在低于材料屈服强度的交变应力反复作用下发生的断裂称为疲劳断裂；④蠕变断裂在应力不变的情况下，变形量随时间的延长而增加，最后由于变形过大或断裂而导致的失效；3、表面损伤①磨损失效磨损主要是在机械力的作用下，相对运动的接触表面的材料以细屑形式逐渐磨耗，而使零件尺寸不断变小的一种失效方式。
失效分析与强度准则
VS
详细描述
汽车零件的磨损失效是汽车故障的主要原 因之一，可能导致车辆性能下降和安全事 故。通过磨损失效分析，可以了解汽车零 件的磨损机理和影响因素，为汽车零件的 设计、制造和使用提供优化方案。
案例五：高分子材料的老化失效分析
总结词
高分子材料的老化失效分析主要研究高分子材料在环境因素作用下的性能退化和老化机理。
详细描述
高分子材料的老化失效是一个普遍存在的现象，受到环境因素如温度、湿度、紫外线等的影响。通过老化失效分 析，可以了解高分子材料的老化机理和影响因素，为高分子材料的设计、制造和使用提供科学依据。
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高分子材料的失效分析
01
高分子材料的失效分析主要关注高分子材料的强度、
硬度、韧性、耐热性、耐腐蚀性等方面的变化。
02
高分子材料的失效通常是由于老化、氧化、水解等因
素引起的。
03
高分子材料的失效分析方法包括红外光谱分析、核磁
共振谱分析、热重分析等。
04
结构失效分析
结构失效的分类与原因
断裂失效
由于材料内部存在缺陷或应力集中区 域，导致结构在低于其承载能力的应 力作用下发生断裂。
最大伸长应变准则
该准则认为当最大伸长应 变达到材料的极限伸长应 变时，材料会发生拉伸失 效。
莫尔-库仑准则
该准则认为当剪切应力与 正应力之比达到某一特定 值时，材料会发生剪切失 效。
强度准则的应用场景与限制
应用场景
强度准则广泛应用于工程结构的设计、分析和优化，特别是在材料和结构的承载能力评 估方面。
05
失效分析案例研究
案例一：金属材料疲劳失效分析
总结词
金属材料疲劳失效分析主要研究金属材料在循环载荷作用下的性能退化和最终 断裂过程。
失效分析
概论失效定义：零件失去原有功能和作用。
失效形式：断裂、腐蚀、磨损、变形、内部组织发生质的变化等。
失效分析：揭示产品功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和规律，找出纠正和预防失效的措施；分为事前、事中、事后分析，通常侧重于事后。
失效分析和一般实验研究的区别和联系：1.失效分析侧重点在于一个零件发生失效的具体失效原因和失效过程，具有很强的工程针对性和适时性，而一般的实验研究目的是不考虑某些因素地去揭示本质，带有一定的普遍性；2.两者之间的联系：普遍性研究可以作为失效分析的理论基础，而失效分析又可以成为理论研究的出发点，相互联系，相互促进。
失效分析基础按失效形态分类↓机械零件失效后的外部形态：过量变形、断裂及表面损伤（磨损和腐蚀）。
断裂失效的原因大致有：过载断裂、疲劳断裂失效、材料脆性断裂失效、环境诱发断裂失效、混合断裂失效。
按失效的诱因分类↓力学因素（机械力、热应力、摩擦力、活性介质）、环境因素、时间因素。
按经济法的观点来分↓产品缺陷失效、误用失效、受用性失效（属于它因失效）、耗损失效。
早期失效的来源：1、设计的问题，2、材料选择上的问题。
3、加工制造及装配中的问题。
4、不合理的服役条件（使用方法）。
如何降低应力集中：1.从强化材料方面考虑，有表面热处理强化、薄壳淬火、喷丸强化、滚压强化等方法。
2.从设计方面降低应力集中系数考虑，有变截面部位的过渡、适当选择开孔位置和方向、应力集中附近的低应力部位增开缺口和圆孔。
如何消除和调整残余应力：1.去应力退火。
2.回火或自然时效处理。
3.机械法（加静载或动载）。
应力分析与失效分析↓按应力状态概念，材料破坏有三种：脆断、剪断、屈服。
失效原因：单向拉（压）应力（韧断、脆断），平面拉应力（泄露、爆炸），弯曲应力（断裂、轴向裂纹），扭转应力（韧断、脆断、扭转角过大），交变应力，接触应力。
失效分析基本方法失效分析的思想方法：1、整体观念原则（设备-环境-人）。
2、从现象到本质的原则（不应只满足于找到断裂或其他失效机制，更重要的是找到致断或失效的原因）。
废品分析与失效分析技术
废品分析与失效分析技术李维铖周建业太原重型机器厂山西太原 0300241、前言废品分析与失效分析技术实际上就是如何进行废品分析和失效分析。
对机械产品而言，废品分析与失效分析其技术大部分是相同的，其过程有时也大致相同的。
废品分析时泛指的废品，在GB/T19000-2000标准中称不合格品，特定情况下，有时可降低要求予以利用和使用；而失效分析中的零部件，则只能按废品进行处理。
分析过程中，许多技术和方法均属于国家标准或行业标准范畴，但一些实际情况和问题的处理不当，或对缺陷认识和判定有误，有时分造成错误结论，带来不必要的经济损失和不良影响。
本文拟谈些有关内容，供交流。
2、术语和定义2.1不合格nonconformity未满足明示、通常隐含的或必须履行的需求或期望。
2.2缺陷defect未满足与预期或规定用途有关的要求。
注：区分陷缺和不合格的概念是重要的，这是因为其中有法律内涵，特别是与产品责任问题有关。
因此，术语“缺陷”应慎用。
2.3预防措施preventive action为了消除潜在不合格或其他潜在不期望情况的原因所采取的措施。
2.4纠正措施corrective action为消除已发现的不合格或其他不期望情况的原因所采取的措施。
注：采取纠正措施是为了防止再发生，而采取预防措施是为了防止发生。
2.5返工rework为使不符合产品符合要求，而对其采取的措施。
2.6返修repair为使不合格产品预期用途而对其所采取的措施。
注：返修与返工不同，返修可影响或改变不合格产品的某些部分。
2.7降级reqrade为使为合格产品符合不同于原有的要求而对其等级的改变。
2.8报废scrap为避免不合格产品原有的预期用途而对其所采取的措施。
如回收或销毁。
2.9废品分析（标准中未见术语废品分析及其定义，但可理解（定义）如下：waste prodct analysis 对已确认报废的产品（或零件），通过多方面进行分析，找出报废的原因，确认废品责任者，并提出预防措施或纠正措施。
金属材料失效分析
失效分析机电工程学院何敏U n R e g i s t e r e d“失效分析”课程简介对广大同学而言，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。
然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运输机械，锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。
失效——各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。
当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。
失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。
U n R e g i s t e r e d11零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效failure“失效”与“事故”要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。
事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。
同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。
（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；（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，不能确保安全可靠性。
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。
U n R e g i s t e r e dU n R e g i st e r e dderetsigeRnUderetsigeRnU“失效分析”课程简介通常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。
失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。
不锈钢管腐蚀开裂分析
2019年 第11期热加工W焊接与切割elding & Cutting19不锈钢管腐蚀开裂分析■李国辉，刘洪武，王跃庆摘要：某化肥厂304不锈钢管焊接后并经过了试压，在使用了两年后，部分钢管发生渗液现象。
为了找出失效原因，对渗液钢管进行了化学成分、金相组织、非金属夹杂物、平均晶粒度、扫描电镜分析。
结果表明：该不锈钢管的非金属夹杂物含量偏高，钢管化学成分中Cr 含量偏低，在焊接后晶界Cr 与C 结合析出碳化物，导致晶界处贫Cr 被腐蚀，大气环境中氯离子含量过高，也是导致腐蚀的原因之一。
关键词：不锈钢；失效分析；晶间腐蚀；贫铬1. 概述由于具有优良的耐蚀性，304不锈钢被广泛地用于要求良好综合性能（耐蚀性和成形性）的设备和机件，在化工设备、压力容器等行业应用广泛。
某化肥厂硫酸管，用于硫酸泵出口（0.82M P a ）与反应器之间连接，该泵流量14m 3/h ，扬程63m ，硫酸浓度为93.5%，使用温度为常温。
该管道于2016年更换，在使用两年后，在泵进出口排放管及压力表接口高颈法兰焊接处出现渗液现象。
对管壁进行清洗、渗透检测并发现裂纹（见图1）。
查阅原始资料，该钢管材质为304不锈钢，管径为D N50，壁厚3.5m m ，在焊接后进行渗透检测，结果合格。
将该钢管切割取样，经检测发现，渗液处位于焊缝区域并发现裂纹。
为查明不锈钢管腐蚀开裂失效的原因，避免再次发生危险，本文拟对失效钢管件进行化学成分、金相显微及扫描电镜分析，从而得出失效原因，并提出预防措施。
2. 试验方法（1）化学成分分析 采用A R L-4460直读光谱仪分别对不锈钢管的母材及焊缝的化学成分进行检测，确定化学成分是否符合标准要求。
（2）金相显微分析 从渗液处（见图1c ）截取试样，试样包括母材、焊缝和热影响区，对试样进行预磨、粗磨、精磨和抛光，使用OLYMPUS-GX51金相显微镜对试样进行非金属夹杂物观察，之后用三氯化铁盐酸水溶液对其浸蚀，在金相显微镜下对试样进行组织观察（见图2）。
发动机连杆失效分析
动力机车上 ，是各类柴油机或汽油机的重要部件ｌ １ ］ 。 发 动 机 连杆 的作 用 是 将 活 塞 的直 线 往 复 运 动 转 化
主要 原 因。 同时采用 Ｐ ｒ 公式估测 了失效连杆 的疲劳寿命 。 ａｓ ｉ 分析 结果表 明发动机连杆 生产制造过程 中必须严格
控 制钢 中非金属 夹杂物的数量 、 尺寸和形态 ， 夹杂物的等级 应控 制在 １ 以内； 级 并且要 制定合理 的热 处理 方案 ，
防 止过 深 的脱 碳 。
Ｋｅ ｒ ｓ：ｃ ｎ ｅ ｔ ｇ ｒ ｄ ｆ ｉ ｒ ｎ ｙ ｉ， ｏ — ｔ ｌ ｃ ｉ ｃｕ ｉｎ ｆｔ ｅ ｌ ｅ ｐ ｒ ｑ ａ ｉｎ ｙ ｗｏ ｄ ｏ ｎ ｃｉ ｏ ， ａｌ ｅ ａ ａ ｓｓ ｎ ｎ ｍｅ ａ ｉ ｎ ｌ ｓ ， ａｉ ｉ ， ａ ｓｅ ｕ ｔ ｎ ｕ ｌ ｌ ｏ ｕ ｇ ｆ ｉ ｏ
ｌｅｏ ｎ ｅｔ ｇｒｄｕｉ ｅＰ ｒ ｑ ａｉ ． ｎ ｙｉｇｒｓｌｓｏ ｓ ｈｔ １ｎ ｎ ｔｌ ｃｕｉ ｈ ｕ ｅｖｒ ｓ ｃ ｙ ｏｔ ｌ ｄ ｉ ｆ ｏｎ ｃ ｎ ｓ ｇｔ ａ ｓ ｕｔ ｎ Ａ ａ ｚ ｕｔ ｈｗ ａ： ）ｏｍｅ ｌｃｉ ｌｓ ｎｓｏｌ ｂ ｅ ｔ ｔ ｎ ｏ ｅ ｆ ｃ ｉ ｏ ｎ ｈ ｉ Ｅ ｏ ｌ ｎ ｅ ｔ （ ａｉ ｎ ｏ ｄ ｙ ｒ ｌｃ ｒｌ ｉ ｗｔｉ Ｃａｓ１ （ ）Ｈ ａ ｔ ａ ｎ ｒｃ ｓ ｓｏｌ ｅｓｉｂｅｆｒ ｒｖｎｉ ｘｅｓ ｅａ ｕｉ ｎ． ｉ ｎ ｌ ；２ ｅｔｒ ｔ ｔ ｏ ｅｓ ｈｕｄｂ ｕｔ ｌ ｏ ｅｅｔ ｇｅｃｓ ｅｒ ｒ ｉｇ ｈ ｓ ｅ ｍｅ ｐ ａ ｐ ｎ ｄ ｂ ｚ
２ １年第 ４期 ００ ２ １ 年 ８ ００ 月
・
铸
造
设
备
失效分析课件第10讲
4.高分子材料及构件的老化
引起高分子材料老化的环境因素有物理因素(包括热、光、高能 辐射和机械应力的作用)、化学因素(如氧、奥氧、水和酸、碱、油 等的作用)和生物因素(如微生物和昆虫的作用)。在这些环境因素作 用下，高分子材料性能下降。 例如：有机玻璃发黄、发雾、出现银纹甚至龟裂； 汽车轮胎和橡胶软管出现龟裂、变硬、变脆； 油漆涂层失去光泽甚至粉化、龟裂、起泡和剥范； 玻璃钢制品起毛、变色、强度下降等。 高分子材料在老化过程中性能下降的主要原因是分子链发生降解 和交联反应。降解反应导致分子链断裂，即分子量下降，从而使 材料变软、发粘甚至丧失机械强度，交联则往往使高分子材料变 脆或失去弹性。 各种高分子材料老化的难易程度与高分子链的结构直接相关。一 般来说，杂链高分子容易受化学的侵蚀，而碳链高分子往往对化 学试剂比较稳定，但容易在物理因素和氧的作用下老化。
第10讲 非金属构件的失效分析
非金属构件的基本类型 非金属构件的断口成像技术 非金属断口的形貌特征 高分子材料及构件的老化
1.非金属构件失效的基本类型
直接加载下的断裂： 直接加载下的断裂：材料或构件在位仲、压缩、剪切或冲击等载荷作用下发生变形直至发生 断裂。材料断裂时对应的应力叫做断裂强度。 聚苯乙烯塑科、非定向有机玻璃、热固性塑料 等刚性高分子材料在宝温下的断裂部属脆性断裂。 各种橡胶材料和某些工程塑料如尼龙和双 轴拉伸定向有机玻璃等在室温下的拉伸断裂后韧性断裂。变形及开裂机制与金属材料不同。 疲劳断裂： 疲劳断裂：指非金属及其构件在远低干其断裂强度的交变应力作用下发生损伤直至断裂的过 程。许多航空非金属件在实际使用中常受交变载荷或脉冲载荷的作用。这类制件．特别是当 它们在加工或装配过程中已存在缺陷，比较容易出现疲劳损伤甚至疲劳断裂的现象。裂纹的 萌生和扩展机制不同于金属材料，存在不同的三个断口区域（镜面区、雾状区、粗糙区）。 蠕变断裂： 蠕变断裂：指非金属及其构件在远低于其断裂强度的恒定应力作用下发生变形直至断裂的过 程。高分子材料的蠕变断裂有以下几个特征：(1)材料在高应力水平下发生的蠕变断裂为韧性 断裂，断裂应变大，而在低应力水平下相反。在一定的应力水平范围内，蠕变断裂发生韧-脆 转变。(2)在韧性韧变断裂过程中，材料会出现“发白”现象。制件在长期使用中出现“发白” 或应力银纹是蠕变断裂的先兆。 环境应力开裂： 环境应力开裂：指非金属及其构件在腐蚀性环境(包括溶剂)相应力的共同作用下发生开裂。 表征材料抗环境应力开裂能力的指标是该材料在单抽拉伸和接触某种介质的条件下直至断裂 所需的时间。它与材料本身、介质的性质、应力水平、温度和材料本身纳结构因素等有关。 老化会降低高分子材料的抗环境应力开裂能力，环境-应力的共同作用又会促进材料的老化。 磨损磨耗： 磨损磨耗：两种不同材料在摩擦过程中，其表面材料以小颗粒的形式断裂下来。 上面述及的是非金属材料制件基本的老化失效和各种机械失效方式，而实际上这些失效形式 往往不是单一出现的，而常常是两种或两种以上的失效模式交织出现，呈错综复杂的模式。
材料科学中的材料失效分析
材料科学中的材料失效分析材料科学是一门研究材料结构、性质、制备、加工和应用的学科。
在科学技术大发展的今天，材料成为人们生活和科技发展的重要组成部分。
如何保证材料的可靠性和稳定性成为科学家们研究的重点之一。
在材料科学中，材料失效分析是一项关键的工作。
一、材料失效的原因材料失效是指材料在使用或储存过程中性能不再满足要求或出现完全破坏的现象。
材料失效的原因很多，主要包括以下几个方面。
1. 材料自身的缺陷。
材料制备过程中，如原材料质量受到影响、制造过程中的疏漏、工艺参数调整不当等原因可能导致材料本身存在质量缺陷。
这些缺陷可能是材料结构上的缺陷，如气孔、非金属夹杂物、晶体缺陷等；也可能是化学成分上的缺陷，如硬度、强度等参数的变化。
2. 材料的外部因素。
外部因素包括环境、载荷和使用条件等。
3. 材料的老化。
随着材料的使用时间的增长，材料的物理和化学性质会发生变化，导致材料的失效。
二、材料失效分析的方法1. 可视化检查。
通过肉眼或显微镜观察样品的表面，检查是否存在裂纹、变形等异常现象。
2. 超声波测量。
超声波测量是一种常用的无损检测方式，可检测不同深度的缺陷。
3. 化学分析。
通过化学分析方法，检测样品中的化学成分是否有变化，从而判断是否存在材料质量问题。
4. 机械性能测试。
机械性能测试是指对样品进行拉伸、弯曲和压缩等力学测试，通过测试结果判断其物理和力学性能。
三、材料失效分析的应用材料失效分析在实际应用中有着广泛的应用。
1. 产品质量控制通过对材料失效分析结果的分析，可以检测产品是否存在质量问题。
如汽车制造行业采用材料失效分析方法检测零部件质量，从而提高汽车制造的质量和品牌形象。
2. 新材料研发在新材料研发过程中，材料失效分析是非常重要的一步。
研究人员通过对材料失效原因的探究，可以改进材料制备工艺，提高材料的使用寿命和可靠性。
3. 保险理赔材料失效分析也被广泛应用于保险理赔领域。
例如在工程和设备损坏的理赔过程中，保险公司需要对材料失效的原因进行分析，以判断损坏是否属于保险范围内。
电动自行车减震前叉断裂失效分析
电动自行车减震前叉断裂失效分析作者：朱应陈曾伟传丁岑来源：《中国自行车》2021年第06期摘要：此文通過宏观、微观和受力分析，查出了电动自行车前叉的减震柄管断裂的主要原因是焊接部位存在咬边缺陷，在交变应力的作用下形成疲劳裂纹，而柄管中割裂基体的B类（氧化物类）非金属夹杂物加速了疲劳裂纹的扩展进程。
为防止类似的失效事故发生，此文提供了若干指导性建议。
关键词：减震前叉;焊接断裂;非金属夹杂;失效分析为满足骑行舒适性需要，目前电动自行车的前叉已普遍采用减震结构。
电动自行车减震前叉主要由立管、前叉肩、减震组件、前叉腿、闸支架等部分连接而成[1]，作为车身的重要承力件，其装配质量关系到骑行安全。
某电动自行车企业的减震前叉（规格：28.6 × 265-Q195）在行驶过程中发生减震柄管断裂（见图1）。
为找到开裂原因，我们从宏观、微观以及结构受力等方面进行了系统的试验与分析。
1 理化检验1.1 断口分析在骑行过程中，电动自行车的减震前叉发生断裂。
对断裂部位取样发现，减震柄管外层由不锈钢装饰管包覆，内部碳钢管插入前叉肩并焊接固定（见图2）。
断裂位于减震柄管与前叉肩焊接处，断裂样品未见有明显的塑性变形。
断口经超声波清洗后，由断口上磨损程度及裂纹扩展人字纹的走向判断裂源处位于焊接咬边缺陷处，裂源区及扩展区均有明显疲劳台阶，终断区占断口面积的较小部分（见图3）。
断口在扫描电镜下观察可见，裂源区SEM形貌为疲劳辉纹+韧窝形貌（见图4），扩展区SEM形貌为疲劳辉纹+少量韧窝形貌（见图5），终断区SEM形貌为剪切韧窝形貌（见图6）。
由上述断口宏观及微观形貌分析可判断，该前叉减震柄管为应力集中型低周扭转弯曲疲劳断裂。
[2]1.2 焊缝金相于裂源处截取金相试样，抛光制样后在材料显微镜下观察，可见断裂柄管基体中B类（氧化物类）非金属夹杂物非常严重，且二次裂纹沿夹杂物扩展（见图7、图8）。
试样腐蚀后，显示出断裂位置为焊缝的焊趾部位（见图9）。
材料失效分析(第八章-材料工艺)
光亮晶粒：在宏观组织中存在的色泽明亮的树枝状组织。 (a)光亮晶粒的宏观组织特征。铸锭试片经碱水溶液浸蚀后，光亮 晶粒色泽光亮，对光线无选择性。仔细观察，光亮晶粒呈树枝状。 (b)光亮晶粒的显微组织特征。与正常组织相比，枝晶网络大。该 组织发亮发白，是合金组元素贫乏的固溶体，显微硬度低。
22
金属夹杂：在组织中存在的外来金属。 ①金属夹杂的组织特征。金属夹杂的宏观和微观组织特征，都
为有棱角的金属块。颜色与基体金属有明显的差别，并有清楚的 分界线。多数为不规则的多边形界线，硬度与基体金属相差很大。
②金属夹杂的形成原因。由于铸造操作不当，或由于外来金属 掉入液态金属中，铸造后外来的没有被熔化的金属块保留在铸锭 中。
28
粗大金属化合物：在低倍试片上呈针状、块状的凸起物。 (a)粗大金属化合物的宏观组织特征。在铸锭低倍试片上为分散或聚 集的针状或块状凸起，边界清晰，有金属光泽，对光有选择性。 断口组织特征为针状或块状晶体，有闪亮的金属光泽。
低倍化合物偏析
化合物偏析断口组织1׃1
29
(b)粗大金属化合物的显微组织特征。尺寸粗大有棱角，形貌有相应 每种化合物的特定形状和颜色。
5
铝合金铸锭内部缺陷及失效分析
偏析：铸锭中化学元素成分分布不均匀的现象。 在变形铝合金中，偏析主要有晶内偏析和逆偏析。 晶内偏析：显微组织中同一个晶粒内化学成分不均匀的现象。 ①晶内偏析的组织特征。只能从显微组织中看到，在铸锭试样 侵蚀后晶内呈年轮状波纹或花瓣状。 合金成分由晶界或枝晶边界向晶粒中心下降。 晶界或枝晶边界附近显微硬度比晶粒中心显微硬度高。
缩孔内壁的枝晶结构
19
夹杂：非金属夹杂、金属夹杂、氧化膜
非金属夹杂：在宏观组织中，与基体界限不清的黑色凹坑。 ①非金属夹杂组织特征。宏观组织特征为没有固定形状、黑 色凹坑、与基体没有清晰界限。 断口组织特征为黑色条状、块状或片状，基体色彩反差很大， 很容易辨认。 显微组织特征多为絮状的黑色紊乱组织，紊乱组织由黑色线 条组成，与白色基体色差明显。
材料失效分析
材料失效分析一、名词解释1.缝隙腐蚀：由于金属表面与其他金属或非金属表面形成狭缝或间隙，并有介质存在时在狭缝内或近旁发生的局部腐蚀称缝隙腐蚀。
2.腐蚀疲劳：是材料在循环应力和腐蚀介质的共同作用下产生的一种失效形式。
3.解理断裂：金属材料在一定条件下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶面产生的穿晶断裂，因与大理石断裂类似，故称这种断裂为解理断裂。
4.解理：一般而言，如果某种矿物的晶体，在有些方向上比较脆弱、容易“受伤”，破裂面通常就沿着脆弱的方向裂开，并且表面平整光滑，这种破裂面的性质被称为解理。
5.磨损：相互接触并作相对运动的物体由于机械、物理和化学作用，造成物体表面材料的位移及分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的过程。
6.冲蚀磨损：亦称浸蚀磨损，它是指流体或固体以松散的小颗粒按一定的速度和角度对材料表面进行冲击所造成的磨损。
7.粘着磨损：也称咬合（胶合）磨损或摩擦磨损。
是相对运动物体的真实接触面积上发生固相粘着，使材料从一个表面转移到另一表面的一种现象8.失效：是指产品因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到预定的功能。
根据其严重性，失效也可称为事件、事故或故障。
9.失效分析：通常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，也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。
10.应力腐蚀：主要是金属材料在特有的合金材料环境下，由于受到应力或者特定的腐蚀性介质影响，产生的一种滞后开裂或滞后断裂的腐蚀性破坏现象。
11.氢脆：由于氢导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂，也称为氢致断裂。
12.蠕变：金属材料在外力作用下，缓慢而连续不断地发生塑性变形的现象。
13.疲劳：材料、零件和构件在循环加载下，在某点或某些点产生局部的永久性损伤，并在一定循环次数后形成裂纹，或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象。
二、单选题&三、判断题1.失效类型：初期失效、随机失效、耗损失效。
工程材料的失效类型及分析
工程材料的失效类型及分析******学号：********专业：材料学材料学院2012 年6 月目录一、失效分析概论及发展历史 (1)1.1 失效分析概论 (1)1.2 失效分析发展历史 (1)二、失效分析的分类 (3)三、失效分析的分析思路和基本方法 (3)3.1 失效分析主要思路 (3)3.2 失效分析的基本方法 (5)3.3 分析及实验 (6)四、失效分析案例 (7)4.1 疲劳宏观分析 (7)4.2 疲劳微观分析 (9)4.3 某型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析 (10)五、总结和展望 (14)参考文献 (15)摘要：介绍了失效分析的主要类型，阐述失效分析的主要分析思路和分析方法，然后通过选定失效分析中很重要的疲劳断裂失效这一块来进行分析，最后列举模型车辆扭力轴疲劳断裂失效分析这一实例来具体说明失效分析的步骤和方法。
关键词：失效分析疲劳一、失效分析概论及发展历史1.1失效分析概论失效指的是设备或装置不能在规定时间内履行其预定的功能，机械产品的零件或部件处于下列三种状态之一时，就可定义为失效:1.零件由于断裂、腐蚀、变形等而完全丧失其功能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而失效分析通常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。
1.2失效分析发展历史机械零部件实效会造成灾难或重大的经济损失，因此失效分析的意义重大。
失效分析的发展历史可以分为三个阶段：失效分析初级阶段、近代失效分析阶段和现代失效分析阶段。
一般来讲，把第一次世界工业革命前划分为失效分析的初级阶段，这个时期是简单的手工生产时期，金属制品规模小且数量少，其失效不会引起重视，失效分析基本上处于现象描述和经验阶段。
失效分析真正受到重视是以蒸汽动力和大机器生产为表的世界工业革命开始，生产大发展，金属制品向大型，复杂，多功能开拓但当时人们尚未掌握材料在各种环境中使用的性态，设计，制造及使用中可能出现的失效现象。
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
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8. 高分析材料及构件的老化
对环境因素敏感而性能降低——老化 老化 对环境因素敏感而性能降低 8.1 老化的基本类型 热老化-与化学键能的热稳定性密切相关 与化学键能的热稳定性密切相关; 热老化 与化学键能的热稳定性密切相关; 光老化-光波引起的化学键断裂 光波引起的化学键断裂; 光老化 光波引起的化学键断裂; 高能辐射老化-与辐照降解为主 与辐照降解为主; 高能辐射老化 与辐照降解为主; 氧化老化-氧化引起的降解与交联 氧化引起的降解与交联; 氧化老化 氧化引起的降解与交联; 生物降解-微生物降解 微生物降解. 生物降解 微生物降解.
1.1 材料与制件在结构上的不均匀性
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1.2 非金属材料的粘弹性 理想弹性材料(虎克定律) 理想弹性材料(虎克定律) σ=Eε 理想粘性材料(牛顿定律) 理想粘性材料(牛顿定律) σ=ηdε/dt 高分子材料:不符合虎克定律与牛顿定律, 高分子材料:不符合虎克定律与牛顿定律,弹性与 粘性的线性或非线性组合. 粘性的线性或非线性组合.
2.1 对试样的要求
2.2 低倍观察
断口表面结构的粗糙度/裂纹起始 扩展及最终断裂区的宏观 断口表面结构的粗糙度 裂纹起始/扩展及最终断裂区的宏观 裂纹起始 特征.设计不同材料的光源选择. 特征.设计不同材料的光源选择.
3.3 光学显微镜观察
多采用暗场成像. 多采用暗场成像.
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9.2 缺陷及损伤的检查与成像显示技术 气孔:裂源; 气孔:裂源; 混杂不均匀:采用截面金相可以检查气孔及混杂; 混杂不均匀:采用截面金相可以检查气孔及混杂; 损伤-分层 剖面法和揭层法; 分层: 损伤 分层:剖面法和揭层法; SEM-表面导电处理; 表面导电处理; 表面导电处理 TEM-复形. 复形. 复形
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材料失效分析与寿命评估
靳 丽 讲师
轻合金精密成型国家工程研究中心 Email: j_jinli@,Tel: 34203052
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主要内容: 主要内容: 概论( 课时) 一, 概论(1课时) 二,失效分析的基本理论与技术(2课时) 失效分析的基本理论与技术( 课时) 三,常见失效形式及判断(8课时) 常见失效形式及判断( 课时) 金属失效,非金属失效,电子元器件失效) (金属失效,非金属失效,电子元器件失效) 四,失效分析的思路,程序和基本技能(2课时) 失效分析的思路,程序和基本技能( 课时) 五,失效分析实例(2～3课时) 失效分析实例( 课时)
蠕变/应力松弛 应力应变 依赖应变速率与温度——粘弹 蠕变 应力松弛/应力应变 应力松弛 应力应变——依赖应变速率与温度 依赖应变速率与温度 粘弹 性表现 材料学院(2009年2月16日-6月19日)
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2.非金属断口的成像显示技术 非金属断口的成像显示技术
硬度低/易划伤 擦伤 断口表面易吸附灰尘/对有机溶剂敏 硬度低 易划伤/擦伤 断口表面易吸附灰尘 对有机溶剂敏 易划伤 擦伤/断口表面易吸附灰尘 断口保护特殊要求; 感 ——断口材料学院(2009年2月16日-6月19日)
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3.非金属构件失效的基本类型 非金属构件失效的基本类型
直接加载断裂——拉伸 压缩 剪切等载荷作用下 拉伸/压缩 直接加载断裂 拉伸 压缩/剪切等载荷作用下 断裂 疲劳断裂 蠕变断裂 环境应力开裂——腐蚀性环境(包括溶剂)作用 腐蚀性环境( 环境应力开裂 腐蚀性环境 包括溶剂) 下开裂 磨损磨耗
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9.树脂及复合材料及其构件的失效分析 树脂及复合材料及其构件的失效分析
复合材料失效模式复杂,多种失效模式: 复合材料失效模式复杂,多种失效模式:基体开裂 /界面脱粘 纤维断裂及分层等 界面脱粘/纤维断裂及分层等 界面脱粘 纤维断裂及分层等……没有完全形成复 没有完全形成复 合材料的失效分析方法
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6.环境应力开裂 环境应力开裂
特殊介质和溶剂共同作用-——微小裂纹 微小裂纹——断裂 特殊介质和溶剂共同作用 微小裂纹 断裂 (1)裂纹始于制件表面,裂纹长度方向与拉伸应 )裂纹始于制件表面, 力方向垂直. 力方向垂直. (2)材料产生环境应力开裂的应力水平比断裂强 ) 度低很多. 度低很多. (3)多数小裂纹不扩展,少数裂纹互相贯穿导致 )多数小裂纹不扩展, 断裂. 断裂. (4)一定材料只对应某些环境介质. )一定材料只对应某些环境介质.
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单向层复合板的失效 (1)纵向拉伸 ) (2)纵向压缩 ) (3)横向拉伸 ) (4)横向压缩 ) (5)剪切 ) 多向层复合板的失效 …… (6)分层 )
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4.直接加载下的 直接加载下的 瞬时断裂
4.1 脆性断裂 聚苯乙烯塑料/非 聚苯乙烯塑料 非 定向有机玻璃/热 定向有机玻璃 热 固性塑料等…… 固性塑料等 断裂前服从虎克 定律
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7.2 疲劳断口
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7.3 疲劳条带
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5.非金属断口形貌 非金属断口形貌
5.3 腐蚀疲劳 断口
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2.非金属断口的成像显示技术 非金属断口的成像显示技术
2.4 扫描电镜观察
放电效应——断口表面喷碳或喷金 断口表面喷碳或喷金 放电效应
采用复形薄膜. 采用复形薄膜.非金属材料断口复形薄膜技术参考文献 胡世炎,机械失效分析手册,成都:四川科学出版社, (胡世炎,机械失效分析手册,成都:四川科学出版社, 1993)) ))
4.直接加载下的瞬时断裂 直接加载下的瞬时断裂
4.2 韧性断裂 各种橡胶材料/某些工程塑料 如尼龙/双轴拉伸定 某些工程塑料, 各种橡胶材料 某些工程塑料,如尼龙 双轴拉伸定 向有机玻璃等…… 向有机玻璃等 断裂应变大(百分之几十到几百), ),应力应变曲线 断裂应变大(百分之几十到几百),应力应变曲线 表现软而韧的特点:弹性模量低/弹性应变大 表现软而韧的特点:弹性模量低 弹性应变大
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9.1 树脂基复合材料失效的基本类型 基体开裂:基体中局部应力过大; 基体开裂:基体中局部应力过大; 界面脱粘:发生在纤维/树脂交界面处的分离 树脂交界面处的分离; 界面脱粘:发生在纤维 树脂交界面处的分离; 纤维断裂: 纤维断裂:纤维断裂即指复合材料中的纤维出现 的分断现象, 的分断现象,往往由于沿纤维方向拉伸应力集中所 致; 分层: 分层:指复合材料层合板与层之间界面上发生的 平面裂纹,有内部分层合边缘分层. 平面裂纹,有内部分层合边缘分层.
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5.疲劳断裂与蠕变断裂 疲劳断裂与蠕变断裂
5.1 疲劳断裂 交变载荷——银纹 银纹——裂纹 裂纹——通过银纹进行扩展 交变载荷 银纹 裂纹 通过银纹进行扩展 单个银纹扩展: 单个银纹扩展:断口光滑 银纹束扩展: 银纹束扩展:断口粗糙
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5.疲劳断裂与蠕变断裂 疲劳断裂与蠕变断裂
5.1 蠕变断裂 恒定应力——与金属蠕变锻炼类似. 与金属蠕变锻炼类似. 恒定应力 与金属蠕变锻炼类似 特征: 特征: (1)材料在高应力水平下发生的蠕变断裂为韧性 ) 断裂,断裂应变大,而低的应力水平下则相反. 断裂,断裂应变大,而低的应力水平下则相反.应 韧脆转变. 力-韧脆转变. 韧脆转变 (2)韧性蠕变断裂过程中,材料"发白"现象. )韧性蠕变断裂过程中,材料"发白"现象. 原因是材料内部出现了许多空穴. 原因是材料内部出现了许多空穴.
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7.非金属断口形貌 非金属断口形貌
7.1 表面粗糙度
脆性断口——镜面区 雾状区 粗糙区 镜面区1/雾状区 粗糙区3 脆性断口 镜面区 雾状区2/粗糙区
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7.非金属断口形貌 非金属断口形貌
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第8讲
非金属构件的失效分析
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1.高分子材料的基本特性 高分子材料的基本特性
不导电/反光性差 对有机溶剂敏感 不导电 反光性差/对有机溶剂敏感 易老化 反光性差 对有机溶剂敏感/易老化 结构不均匀性/高弹性 高弹性/粘弹性 结构不均匀性 高弹性 粘弹性 航空非金属材料本身和构件存在多种不均匀性: 航空非金属材料本身和构件存在多种不均匀性: 化学均匀的单相材料-分子量不均匀 分子链交联点不同 化学均匀的单相材料 分子量不均匀/分子链交联点不同 分子量不均匀 等…… 非均质多相材料(纤维增强复合材料等) 非均质多相材料(纤维增强复合材料等)——各相物理化 各相物理化 学性质差别大,分散相不均匀等…… 学性质差别大,分散相不均匀等 两种以上性质不同材料组成的复合材料——层板间性能差 两种以上性质不同材料组成的复合材料 层板间性能差 异明显…… 异明显 材料学院(2009年2月16日-6月19日)