《材料失效分析》实验教案2014上

课程教案

课程名称：材料失效分析实验

任课教师：刘先兰

所属院（部）：机械工程学院

教学班级： 2011级金属材料工程教学时间：2013—2014学年第二学期

湖南工学院

《材料失效分析》实验

实验课程编码：

学时：6

适用专业：金属材料工程

先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等

考核方式：

一、实验课程的性质与任务

帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂点及断裂过程。

二、实验项目

实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）

实验二零件失效的宏观分析法（2学时）

实验三静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）

三、实验报告要求

每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。

四、其它要求

实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。

五、教材和参考资料

1教材：

《材料失效分析》，庄东汉主编.华东理工大学出版社.

2．参考资料：

[1]《机械零件失效分析》，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社..

[2]《材料成形与失效》，王国凡主编，化学工业出版社.

[3]《材料现代分析方法》，左演声主编，北京工业出版社.

[4] 《断口学》，钟群鹏主编，高等教育出版社.

[5] 《金属材料及其缺陷分析和失效分析100例》，候公伟主编，机械工业出版社.

实验一材料失效中的金相分析法实验（2学时）

金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因

【1】实验的目的和要求

1）目的

通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。

2）要求

要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产品，做出合理分析。能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。

【2】实验内容或原理

在失效件上切片，制备相关金相试样。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。

一、材料失效分析方法分类

一）相关性分析的思路及方法

一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。

1. 按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法

（1）审查设计如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。

（2）材料分析材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。

（3）加工制造缺陷分析铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。

（4）使用及维护情况分析超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。

2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法

这是较为常用的分析方法。一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。

3. “四M”分析思路及方法

所谓“四M”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。

（1）操作人员情况的分析如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。

（2）环境情况的分析主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。

（3）设备情况的分析主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。

（4）管理情况的分析如缺乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。

二）系统工程的分析思路及方法

失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。

失效系统工程分析法主要类型：

（1）故障树分析法（简称FTA法）

（2）特征—因素图分析法

（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）

（4）故障率预测法

（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）

（6）模糊数学分析法

三）数理统计分析思路及方法

相关性：

二、失效分析的一般程序

机械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。一般说来，大体上包括：

1）调查失效事件的现场，

2）收集背景材料，

3）深入研究分析，

4）综合归纳所有信息并提出初步结论，

5）重现性试验或证明试验，

6）确定失效原因并提出建议措施，

7）写出分析报告等内容。

三、失效分析的步骤