失效分析基础知识

晶间疏松 & 枝晶疏松 ★ 缩孔与疏松的危害
主要使力学性能、密封性能、表面粗糙度受影响 ★ 缩孔与疏松的消除
合理选择合金成分 合理的铸造工艺 合理的锻轧工艺 2020/4/25
2.偏析
凝固形成的晶体 内部由于扩散不 足引起的偏析。
金属在凝固时由 于某些因素的影 响而生产的化学 成分不均匀现象
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先结晶区域的化 学成分与后结晶 区域间的偏析。
三、夹杂物对钢性能的影响
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三 夹杂物对钢性能的影响
构件失效中，90%是疲劳失效(正常使用时)。
1. 夹杂物的类型 a. 脆性夹杂物
a. (OM像)
b. (SEM像)
38CrMoAl疲劳试样表面裂纹 疲劳断口, 夹杂物与钢基体脱开
图2-11 裂纹优先在较大夹杂物与钢基体交界处产生
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图2-21 焊缝中的延迟裂纹
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图2-22 焊缝中的淬硬脆化裂纹
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d. 层状撕裂
①层状撕裂温度不超过400℃； ②常发生在装焊过程或结构完工之后，是一种难修复的结
构破坏，甚至造成灾难性事故； ③低合金高强钢或调质钢的厚板结构，如采油平台、厚壁
容器、潜艇等，易发生层状撕裂。
图2-4 气孔
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白点：合金液中的氢在凝固时析出形成气体氢，聚集于
合金内，在纵向断口上呈现为表面光滑、银白色的圆形 或椭圆形的斑点。
易发钢种：
含Cr、Ni、Mn的合金结 构钢及低合金工具钢
白点的消除：净化除气
提醒：含白点的钢材或
其它材料不能使用！
图2-5 白点
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二、锻轧件缺陷
强度条件：ε1 ≤εf
极限应变：εf ＝
σb
E
广义虎克定律：ε1 ＝ E1[σ1－μ(σ2＋σ3)]
即强度条件： σ1－μ(σ2＋σ3) ≤ [σ]
当单向拉伸时，ε1＝σ1／E＝εf ＝σb／E，
第二强度理论与第一强度理论完全一致。
10 c. 钢材表面脱碳
(a)
(b)
图2-8 锻制螺栓表面脱碳后的组织(a)及强度降低而变形(b)
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2. 钢材表面缺陷
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a. 划痕 b. 表面裂纹 c. 分层 d. 折叠 e. 结疤 ：金属锭或型材表面的凹凸坑(2～3mm)
图2-9 低碳钼钢管内壁的折叠和结疤
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四、焊接组织缺陷
1. 接头的形成与区域特征 回顾
热 影 响 区
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四 焊接组织缺陷
ca.. 接焊头缝组结织晶区过域程划分
b. 焊缝及热影响区的组织
图2-16 焊接接头区域、热影响区、焊缝结晶过程
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2. 焊接裂纹
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a. 热裂纹 ：有结晶裂纹、高温液化裂纹和多边化裂纹
图2图-182-焊19缝焊中缝的中高的温多液边化化裂裂纹纹
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b. 再热裂纹
热处理过程中产生的裂纹，一般在550～650℃最为敏感。
图2-20 焊缝中的再热裂纹
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19 c. 冷裂纹
较低温度下在热影 响区产生的裂纹，是一 种影响较大的缺陷。有 以下三种类型： 延迟裂纹 淬硬脆化裂纹 低塑性脆化裂纹
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§2.2 力学计算基本概念
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一、传统强度理论
§2.2 力学计算基础 一 传统强度理论
强度理论：解释构件强度失效不同的决定性因素的理论。
断裂失效有：最大拉应力理论、最大拉应变理论
屈服失效有：最大切应力理论、形状改变比能理论
1. 强度理论
a．最大拉应力理论 (第一强度理论)
决定构件产生断裂失效的主要因素是最大拉应力 1 。
§2 失效分析基础知识
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材
力
料
学
知
失效
知
识
分析
识
化学知识
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§2.1 金属构件中的常见缺陷
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一、铸态组织缺陷
§2.1 常见缺陷 一 铸造缺陷
1. 缩孔与疏松
★ 形 貌 特 征
(a)低碳钼钢铸锭端部取样 图2-1 缩孔缺陷
(b) Cr17铸钢锭下部取样
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(a) 45钢铸锭的严重疏松 (b) 2Cr13钢热轧后退火的中心疏松 图2-2 疏松缺陷
1. 内部组织缺陷 a. 粗大的魏氏组织
危害: 脆性增加，强度下降!
提醒: 重要件不允许有魏氏组织
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二 锻轧件缺陷
图2-6 魏氏组织
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9 b.网络状碳化物及带状组织
(a)
(b)
图2-7 网络状碳化物(a)及带状组织(b)
危害：使性能呈各向异性! 提醒：常导致工、模具钢过早失效
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图2-23 T型接头的层状撕裂
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五、热处理组织缺陷
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五 热处理组织缺陷
零件在加热和冷却过程中，因热应力和组织 应力而生产的缺陷，如淬裂。
淬裂原因：1. 原材料已有缺陷
2. 原始组织不良 3. 有夹杂物 4. 淬火温度不当 5. 淬火时冷却不当 6. 有机械加工缺陷 7. 淬火后回火不及时
晶内偏析 晶间偏析
偏析
区域偏析 比重偏析
凝固形成的枝状 晶内由于扩散不 足引起的偏析。
先结晶区域的比 重不同于后结晶 区域间的偏析。
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偏析的预防 ① 净化合金液 ② 改善凝固条件 ③ 扩散退火处理
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图2-3 硫的区域偏析(硫印图)
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3. 气孔与白点
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气孔的类型：侵入气孔、析出气孔和反应气孔 气孔的危害：降低强度、气密性、耐蚀性和耐热性 气孔的预防：合金液除气、合理的铸造工艺
13 b. 塑性夹杂物
图2-12 串链状夹杂物图2-13 硫化源自塑性夹杂物2020/4/25
14 c. 半塑性变形的夹杂物
(a)球型铝酸钙与铝硅酸盐复合夹杂物
(b)尖晶石型双氧化物与铝硅酸盐复合夹杂物
图2-14 复合夹杂物的变形
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15 2. 夹杂物对钢性能的影响
主要是指对强度和韧性的影响。 a. 夹杂物使钢产生微裂纹 b. 夹杂物易引起应力集中 c. 夹杂物降低钢的韧性
强度条件:σ1≤ [σ]，
而[σ] ＝
σb k
，K为安全系数
适用 ① 以拉伸为主的脆性材料，如铸铁、石料等； 范围 ② 主应力均为拉应力的二向应力状态的脆性材料。
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b．最大拉应变理论 (第二强度理论)
决定材料发生断裂失效的主要因素是单元体中的最大
拉应变ε1。即不论是单向应力或复杂应力状态，只要单元体 中的最大拉应变ε1 达到单向拉伸情况下发生断裂失效时的 拉应变极限值εf 时，材料就将发生断裂失效。