材料失效分析试题与答案

1.试用一个经典的案例说明材料失效分析与基础学科及应用学科之间的关系（不少于400字，配图片）

答：材料失效分析的经典案例:

醇胺贫富液换热器列管腐蚀穿漏

图1 测试分析用的失效管子及拉杆套管

损坏部位：靠近壳程热流体进口处的管子、管程冷流体热端处的管子。

表面观察：

①管内外表面均可见棕色表面覆盖层，在没有坑

洞的表而用锉刀轻轻锉一下能看见银白色的金属光泽，说明

均匀腐蚀轻微。

②严重腐蚀区的管子外表面分布很多凹坑，深浅不一，有些

凹坑已穿透管壁厚，大多凹坑为敞口椭园截面坑洞。

③拉杆套管的腐蚀损坏比换热管更严重。

根据这个图片和实物可以通过以下方法分析材料的失效：

1). 管材的化学成分测定

2). 换热管的金相分析

4). 腐蚀原因分析

结果讨论：材料的断裂和腐蚀是材料失效中最常见的两种形式。这两种失效在工程实际中经常会造成极大的破坏和损失。分析和判断出材料失效的原因，同时找出有效的预防措施，防止类似的失效重复发生，是工程实际中经常遇到的难题。

材料失效分析需要应用机械、力学、物理、化学、数学、电子技术等多方面知识，需要借助现代分析测试技术，从宏观到微观，从定性到定量，从单项到综合的系统性分析。上述图片实例也充分说明了在对材料失效分析时需要用到很多的基础学科，尤其是物理和化学。而且在应用学科方面如现代显微测试技术等都是具有很好的代表性。材料的失效分析离不开这些学科！要做好材料的失效分析我们就应该在实践的基础上将学科的知识和一些先进技术相结合应用！

2.试用两个实际的失效案例说明材料失效分析的重要意义（要求既有文字说明，又有图片说明，文字不少于800字）

答：发生在我们生活中的材料失效的案例很多，材料的失效也有很多的类型，不同的材料在不同的外界环境，使用环境和其本身的性质会使失效的形式也会不一样。下面是两个实际的材料失效的案例：

实例一：

图1：曲轴及断裂部位

进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂

如上图曲轴及断裂部位

材料的背景资料:

1) 主机参数：额定功率为8820 kW，单缸功率为735kW，最高转速480r/min，常用转速400 r/min；

2) 曲轴参数：材料相当于35CrMoA(中国)，轴颈φ＝400mm，质量约15t；

3) 质量要求：曲轴整体锻造，调质后才可交付使用(按规定)。

4) 使用情况：船已使用十年，但主机只运转30900 h。例2进口万吨级远洋货轮主机曲轴断裂

曲轴在近功率输出端第二曲臂处断裂成两截！

失效材料的表面分析：表面观察

图2 断口宏观形貌0.1X

①断口宏观形貌见图

2，断裂为典型的疲劳

断裂，疲劳台阶及贝纹

线清晰可见，并且有多

个疲劳源区；

②主疲劳源处于曲臂表

面两侧和主轴颈相连的

过渡圆弧箭头1所指R位

置，另一疲劳源是在箭头3所指

R位

置；

②根据断口颜色疲劳区形成的先后

③顺序为1区→ 3区→ 4区和5

区；多疲劳源使裂纹扩展较快，

瞬断区仅占断面的5%。

测试及失效原因分析：

1). 性能测试

曲颈材料的σs为制造厂确认值的60％左右；σb为确认值

的75％左右；KⅠC 为35CrMo钢在调质状态下公认值的74％；

冲击韧性值偏低，αk＝400kPa·m。说明断裂曲轴未经良好的

调质处理。

2). 金相分析

取样部位：曲轴颈部、颈部与曲臂过渡区R处★组织均为铁索体＋珠光体(各占50%) ＋沿晶网状碳化物(如图3), 说明R处未经调质处理。

结论

1) 曲轴断裂属典型的高周次低应力的

弯曲疲劳断裂；

2) 断裂失效的根本原因是材质热处理

不良，

35CrMoA应调质处理，

但曲颈从表面到中心都是退火组织；

曲柄从表面往心部约20 mm是回火索

氏体，而心部也是退火组织。

3) 曲轴强度达不到制造厂确认值

(低25%～40%)，

制造厂确认的σs和σb与断裂

轴实际值不符的原因是大型零件

热处理后的力学性能检查存在不合理；4) 除强度低外，内部冶金缺陷也比较多，图3 R处的金相组织1200X 图2 断口宏观形貌

碳化物沿晶成网状分布；木纹状断口；材料

含氢量较高的鱼眼断口等都说明曲轴的脆断倾向性加大。

综上所述，曲轴的强度低，内部冶金缺陷多，脆断倾向增大，最终导致曲轴疲劳断裂。

实例二：某型号面包车半轴发生断裂

图4

分析：

取样、观察和测试：

在凸缘与杆连接的轴台阶转角处起裂，并向内扩展至轴的中心部位最后断裂。

整个断口呈斜坡状，未见明显塑性变形，断面颜色为暗灰色，靠近断裂源的断面较平整，宏观可见明显的贝纹线，具有疲劳断裂特征，为裂纹扩展区；其余断面呈纤维状，凹凸变化较大，具有塑性断裂特征，为最后的瞬断区。

经过一些实验设备的测试及结果我们可以得到以下结论：

主要原因是半轴凸缘与杆连接的轴台阶处表面存在脱碳层，在高的扭转疲劳剪应力作用于形成裂纹源；40Cr钢中含有较多的大尺寸非金属夹杂物；

此外，热处理工艺不当，中频感应淬火温度偏高且回火不足，使材料的综合力学性能变差，使表面萌生的裂纹在应力作用下迅速扩展，导致半轴发生早期疲劳断裂。

实例一，二说明材料失效分析对失效发生后有着分析并找出导致这个结果发生的原因，然后对以后的材料的设计有着指导和警示作用并可以提高材料的使用性能。所以材料失效分析对于我们了解材料的性能以及对材料做出预测和使用寿命，预防事故的发生有着重要的意思。

3.请总结材料失效分析技术与本专业有关课程的关系，以及如何才能做一个合格的失效分析工程师（不少于300字）