材料失效分析复习大纲

材料失效分析复习大纲

一、材料失效分析总论

1、失效定义：指产品(构件)因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到规定的功能。

2、失效的微观结构：原子的电子结构、原子间相互作用、原子团三维分布、显微组织形态。

3、失效的外观形态：局部腐蚀、局部磨损、过度变形、表面异物。

4、失效分析的内容（5项）：判定失效模式、界定失效缺陷、鉴定失效机理、确定失效起因、提出解决对策

5、失效的五种模式：断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰减。

6、失效机理：是致使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。

7、失效的影响因素：材料选用不适、结构设计欠妥、制造质量一般、安装方式不当、检测方法常规、组织性能劣化、维护过程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措施简单、理制度不严（注意：考试时不要求全部列出，写出几种因素即可）

8、失效分析的八个方面：设计、材料、制造、安装、检验、操作、维护、环境。

9、失效分析的主要步骤：

(1)现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对、取样等；

(2)外观检测：断口(缺陷)宏观形态及异物等观察与分析；

(3)微观分析：断口(缺陷)的微观形貌观察与成分测定；

(4)性能检验：材料力学、物理、化学等性能的试验评定；

(5)环境评估：工况介质、异物等测试与评价；

(6)模拟试验：失效现象的再现和验证（按需进行）；

(7)事故结论：分析结果必须快速、正确；

(8)解决对策：治理方案应该简单、有效。

10、失效分析工作者应有的素质：

(1) 品德高于技术：实事求是，客观公正，敬业负责；

(2) 调查重于理论：深入现场，观察迹象，寻找旁证；

(3) 宏微观相结合：宏观是表象,微观是本质,分析要精准；

(4) 综合知识并重：勤学多问，理论与实践相结合；

(5) 团队合作至上：个人知识有限，集体力量无限；

(6) 系统完整严密：前后一致，因果一致，推论可信；

(7) 快速正确有效：分析快速，结论正确，实施有效。

二、金属的断裂

1、脆性断裂特点：①断裂时承受的工作应力很低，一般低于σ0.2；②裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；③T↓，脆断倾向↑；④断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射性花样。

2、断裂路径

①沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程。多为脆断（氢脆断裂），少数为韧性断裂（高温蠕变断裂）。

②穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程。可以是韧性的（微孔聚集型断裂），也可以是脆性的（解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂）。

3、解理断裂定义：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面（解理面）而分离。注意：通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。

4、断口三要素及其应用：

三要素：纤维状区、放射状区、剪切唇区。

应用：根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向。

（1）裂纹源位置确定：①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维区的位置就找到了裂源的位置；②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置；③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。

（2）裂纹扩展方向的确定：①纤维区指向剪切唇；②放射条纹的发散方向；③板状样呈现人字纹其反方向为源扩展方向。

5、解理断裂微观特征：扇形花样、解理台阶、河流花样、舌状花样、青鱼骨花样、瓦纳线。

6、影响断裂韧性K

IC

的因素：

（1）内部因素：①化学成分：细化晶粒元素，提高强度和塑性，K

IC

提高；强烈固溶强化的元

素使K

IC 下降；形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，降低K

IC

。②基体相结构和晶粒大

小：面心立方结构，K

IC 高；晶粒小，K

IC

高。

（2）外部因素：①温度：T↓，K

IC ↓；②应变速率：应变速率↑，K

IC

↓；应变速率↑10倍，

K IC ↓10％；当应变速率很大时，绝热状态，局部升温，则K

IC

↑。

7、断裂韧性K

IC 与冲击吸收功A

KV

之间的关系：①由于裂纹缺口、加载速率不同，二者随温度

变化曲线不一样；②由K

IC 确定的韧脆转变温度比A

KV

的高。

8、作业题（重点）：

问题1：一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩率均不满足要求，检验人员根据断口特征决定采用正火处理，再检验性能全部合格。试问：

1、检验人员看到断口有何特征？答：结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口）。

2、产生的原因是什么？答：产生原因：①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大；②压下量不足，晶粒破碎不够；③终锻温度过高，发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗细不均。

3、正火后为什么强度和塑性均有提高？答：正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。

问题2：在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？

答：①晶粒过分粗大——细化晶粒处理；②晶界弱化——净化晶界；③环境介质——改善工作环境；④热应力——退火消除。

三、环境断裂

1、环境断裂定义：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断现象。

2、SCC（应力腐蚀断裂）影响因素及预防措施：

（1）影响因素：①应力：拉应力；②环境介质：材料对介质具有选择性；③成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量；④热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)。

（2）预防措施：降低应力；表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力；改变腐蚀介质；合理选材；电化学保护

3、氢脆断裂：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。分为内部氢脆和环境氢脆两种类型。

4、过热断口和过烧断口的定义及断口形貌特征：

（1）过热断口：材料在热锻、热轧或热处理加热时长时间停留，由于晶粒粗大而引起的低应力脆断。

断口形貌特征：①宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽；②微观形貌：典型的延性沿晶断口。

（2）过烧断口：材料在超过过热温度下加热，由于晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及魏氏组织而引起的低应力脆断。