失效分析课件-2

1早期，我国机械工业处于仿制—研制阶段，失效分析工作只是为生产中的问题提供一些咨询，并没有得到足够的重视，也没有统一的组织形式。随着我国机械工业的不断发展，失效分析的早期工作形式、内容及采用的方法和手段已经越来越不能满足客观上的需要。这一状态直至1980年中国机械工程学会委托材料学会召开第一次全国机械装备失效分析学术会议为止，才得以改变。目前，我国的机械产品和工程结构日趋大型化、精密化和复杂化。这类产品发生的失效，比以往的失效将会造成更大的财产损失和人员伤亡。这就要求一切产品必须具有比以往更高的可靠性和安全性，从而对失效分析工作提出了更高的要求。二、我国的失效分析工作2在中国机械工程学会的领导下，1980年在北京召开了全国第一次机械装备失效分析经验交流会，收集了论文和分析案例311篇，从而揭开了我国失效分析工作的新篇章。1984年在杭州，1988年在广州相继召开了第二次和第三次全国失效分析技术会议，并出版了会议论文集。1992年由中国科学技术协会指导和支持、中国机械工程学会承办、全国22个一级学会共同组织的全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会在北京举行，1993年6月于桂林召开了第四次全国失效分析会议。1998年在北京召开了第三次全国机电装备失效分析预测预防战略研讨会，宣布成立我国机械工程学会失效分析学会，将原来的失效分析专门委员会提升为二级独立学会，同时描绘了21世纪我国失效分析工作的蓝图，标志着我国的失效分析工作开始了一个新纪元。（1）认真总结经验，积极开展交流活动3（2）建全我国的失效分析组织机构和开展基础研究工作在中国机械工程学会下设失效分析工作委员会，后提升为失效分析学会，统一组织和领导全国机械行业的失效分析工作。在材料学会、热处理学会和理化学会内成立了相应的组织机构，领导和组织本学科内的失效分析工作。在工矿企业及大专院校也成立了失效分析研究中心、研究所，定期开展各自富有专长的技术活动与社会服务工作。4（3）开展失效分析专门人才的培养工作机械工程学会和一些大学派出专家学者出国考察访问，学习和借鉴国外在失效分析方面的工作经验，提出了在我国工科大学设立材料检验检测中心和培养专门人才的建议。自1983年起，将失效分析课程列为工科院校材料科学与工程类专业教学计划中的必修课程，在清华大学、浙江大学等著名高校还将失效分析列为机械类学生或工科类学生的选修课或研究生课程。随后许多大学还举办了各种类型的短训班及在职人员培训班，使我国的失效分析技术队伍逐步形成。5组织失效分析专门人才有计划地编写出版失效分析技术资料、丛书、文集等。由中国机械工程学会材料学会主编的机械产品失效分析丛书(1套11册)及机械故障诊断丛书(1套10册)、机械失效分析手册等相继出版。有关工科院校还编写了相应的失效分析教材、交流资料等，一些著名学者也出版了一批失效分析的专著，为失效分析专门人才的培养奠定了基础。6（4）建立失效分析数据库和网络我国已相继开发和建设了一些与失效分析工作相关的数据库，如1987年由航空材料数据中心建立的材料数据库，1991年以后上海材料研究所和郑州机械研究所相继建成工程材料数据库和机械强度与疲劳设计数据库，1995年以后航空材料研究所建成金属材料疲劳断裂数据库，腐蚀数据库等。目前我国的失效分析工作，正密切配合产品的更新换代，确保产品的质量与可靠性等积极开展工作，这将为我国的经济建设及材料科学的发展进一步做出贡献。7三、失效分析的发展趋势（1）失效分析成为系统可靠性工程的基础技术近代工业中，机械设备的重要特点是自动化程度越来越高，结构也越来越复杂，因而价值也越来越大。由此，对设备可靠性的要求会更高。这就要求必须将失效分析中所得到的信息及时而准确地反馈到产品的设计、制造及使用部门，使其成为系统可靠性的基础技术。（2）失效分析继续成为提高产品质量的保证产品要在市场上有竞争能力，必须首先保证质量，消除一切隐患。这就要求必须加强产品在使用和生产现场的分析工作及基础研究。可以预见，大量的、基本的失效分析工作，将在生产第一线大力开展，成为提高产品质量的可靠保证。8国外已经将失效分析引入产品设计的程序中9（3）加强失效分析的普及与基础工作的研究在我国失效分析工作的技术队伍虽然已初步形成，但无论在专业化程度、组织形式方面，还是在技术水平及所采用的手段方面，都还有待于进一步提高。失效分析工作的普及问题，更需要一大批技术人员来解决。失效分析的力学基础、物理学基础、化学基础、断口学基础及分析工作的程序化与现代化的技术手段等均需进一步加强。各类失效的机理、失效模式、失效的定量描述等将成为失效分析基础研究的重点。10（4）加强计算机在失效分析工作中的应用应用计算机进行失效工作，将大大提高分析工作的准确性和可靠性。用计算机分析失效，可以排除因分析人员的经验、素质和手段不足而带来的局限性和误判。计算机数据处理、图像处理和信号分析，为我们进行失效分析的定量研究提供了基础。当然，用计算机分析失效，必须有大量的资料作依据。同时，许多失效分析经验和成果是用血的代价换来的，它对以后的生产有极大的指导意义。为了使个别单位的经验得到推广和发挥更大的作用，建立专门的失效分析数据库和资料库是非常必要的。网络技术的发展，为全球化的诊断与分析技术提供了平台，建立有效的区域性、行业性甚至全球性的失效分析与故障诊断网络和远程诊断已引起国内外众多专家的关注，将会得到大的发展。11第二章失效分析基础知识122.1.1失效的主要形式及其原因序号失效类型失效形式直接原因1变形失效a.扭曲（如花键）b.拉长（如紧固件）c.胀大超限（如液压活塞缸体）d.高低温下的蠕变（如动力机械）e.弹性元件发生永久变形由于在一定载荷条件下发生过量变形，零件失去应有功能不能正常使用。2断裂失效一次加载断裂（如拉伸、冲击、持久等）由于载荷或应力强度超过当时材料的承载能力而引起。环境介质引起的断裂（应力腐蚀、氢脆、液态金属脆化，辐照脆化和腐蚀疲劳等）由于环境介质、应力共同作用引起的低应力脆断。疲劳断裂：低周疲劳，高周疲劳。弯曲、扭转、接触、拉-拉、拉-压、复合载荷谱疲劳与热疲劳，高温疲劳等。由于周期（交变）作用力引起的低应力破坏。3表面损伤失效磨损：主要引起几何尺寸上的变化和表面损伤（发生在有相对运动的表面）。主要有粘着磨损和磨粒磨损。由于两物体接触表面在接触应力下有相对运动造成材料流失所引起的一种失效形式。腐蚀：氧化腐蚀和电化学腐蚀，冲蚀，气蚀，磨蚀等。局部腐蚀和均匀腐蚀。环境气氛的化学和电化学作用引起。2.1机械零件失效形式与来源13零件的失效形式FailureAnalysis一、变形失效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2.塑性变形失效外加应力超过零件材料屈服极限时发生明显的塑性变形(永久变形)。14二、断裂失效零件在使用中发生断裂而失效1516二、断裂失效1.断裂分类(1)按断裂性质根据材料或零件断裂前所产生的宏观塑性变形量的大小，将断裂类型分为韧性断裂、脆性断裂。①韧性断裂材料断裂之前发生明显的宏观塑性变形的断裂称为韧性断裂。韧性断裂是金属材料破坏的主要方式之一。②脆性断裂指材料在断裂之前不发生或发生很小的宏观可见的塑性变形的断裂，断裂之前没有明显的预兆。通常把金属材料的塑性变形量小于2％～5％的断裂，均称之为脆性断裂。17(2)按断裂路径分为沿晶断裂、穿晶断裂和混晶断裂三种类型。①沿晶断裂指多晶体材料的裂纹萌生与扩展是在晶界处发生的分离过程。沿晶断裂一般为脆性断裂。②穿晶断裂指裂纹萌生和扩展是在晶粒内部发生的断裂。穿晶断裂既可为脆性断裂(低温下的穿晶断裂)，也可以是韧性断裂(如室温下的穿晶断裂)。③混晶断裂18（3）按断裂机制可分为解理断裂与剪切断裂。①解理断裂金属材料在一定条件下(如体心立方金属、密排六方金属与合金处于低温、冲击载荷作用)，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿一定晶体学平面的穿晶断裂。解理面一般是低指数或表面能最低的晶面。对于面心立方金属来说，在一般情况下不发生解理断裂，但面心立方金属在非常苛刻的环境条件下也可能产生解理破坏。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。②剪切断裂金属材料在切应力作用下，沿滑移面分离而造成的滑移面分离断裂，又分为滑断(切离或纯剪切断裂)和微孔聚集型断裂。纯金属尤其是单晶体金属常发生滑断断裂；钢铁等工程材料多发生微孔聚集型断裂，如低碳钢拉伸所致的断裂即为这种断裂，是一种典型的韧性断裂。19（4）按断裂面取向分为正断型或切断型两类。①正断型断裂断裂面取向垂直于最大正应力，即为正断型断裂；如解理断裂或塑性变形受较大约束下的断裂。②切断型断裂断裂面取向与最大切应力方向相一致，而与最大正应力方向约成45°角，为切断型断裂。如塑性变形不受约束或约束较小情况下的断裂。20（5）按受力状态不同分为静载断裂(如拉伸断裂、扭转断裂、剪切断裂等)、冲击断裂、疲劳断裂；（6）根据环境不同分为低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀和氢脆断裂；而磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。21222.断裂形式的特征(1)韧性断裂的特征①韧性断裂的宏观特征韧性金属的光滑圆试样拉伸的宏观变形方式为颈缩，其典型断口为杯锥状断口，还有一种剪切断口。23②韧性断裂的微观特征韧窝：它是材料在微观范围内塑性变形产生的显微空洞形核、长大、聚集，最后相互连接而导致断裂后在断口上留下的痕迹。韧窝是金属韧性断裂的微观主要特征。24(2)脆性断裂的特征①材料脆性断裂的特点1）脆性断裂时承受的工作应力较低，通常不超过材料的屈服强度，甚至不超过按常规设计程序确定的许用应力，所以脆性断裂又称为低应力脆断。2）脆性断裂总是以零件内部存在的宏观裂纹作为源开始的。这种裂纹在远低于屈服强度的应力下逐渐扩大，最后导致突然断裂。25③脆性断裂的微观特征脆性断裂的微观判据是解理花样或沿晶断口形态。金属在正应力作用下，因原子间结合键的破坏而造成的穿晶断裂称为解理断裂。解理断裂的主要特征是：开裂速度快；开裂沿着低指数的结晶面(称为解理面)发生；解理断裂时，一般不发生或产生较小的塑性变形。②脆性断口的宏观特征脆性断口的宏观特征是在断裂前没有可以观察到的塑性变形，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，断口边缘没有剪切“唇口”(或很小)。断口的颜色比较光亮，有时稍有灰暗。26磨损失效的基本类型有：粘着磨损、磨料磨损、表面疲劳磨损、冲刷磨损、腐蚀磨损等五种基本类型。1.粘着磨损两个金属表面的微凸部分在局部高压下产生局部粘结(固相粘着)，使材料从一个表面转移到另一表面或撕下作为磨料留在两个表面之间，这一现象称为粘着磨损。三、表面损伤（磨损、腐蚀）272.磨料磨损配合表面之间在相对运动过程中，因外来硬颗粒或表面微突体的作用造成表面损伤的磨损称为磨粒(料)磨损。磨料磨损的主要特征是表面被犁削形成沟漕。283.表面疲劳磨损两个接触面作滚动或滚动滑动复合磨擦时，在交变接触压应力作用下，使材料表面疲劳而产生材料损失的现象称为表面疲劳磨损。齿轮副、凸轮副、滚动轴承的滚动体与外座圈、轮箍与钢轨等都可能产生表面疲劳磨损。形成麻坑。4.冲刷磨损由于含固态粒子的流体(常为液体)冲刷造成表面材料损失的磨损。5.腐蚀磨损金属在摩擦过程中，同时与周围介质发生化学或电化学反应，产生表层金属的损失或迁移现象。29腐蚀失效有下列几种基本类型：1．均匀腐蚀2．点腐蚀3．晶间腐蚀晶界腐蚀的主要原因是晶界处化学成分不均匀。由于晶界是原子排列较为疏松而紊乱的区域，所以在这个区域易于富集杂质原子、易于发生晶界沉淀。腐蚀失效30313233引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下几方面：1、设计与选材上的问题；2、加工、热处理或材质上的问题；3、装配上的问题；4、使用、操作和维护不当的问题。据调查统计，在失效的原因中，设计和制造加工方面的问题占56%以上。这是一个重要方面，在失效分析和设计制造中都应引起足够重视。2.1.2失效的来源341、设计问题在高应力部位存在沟槽、机械缺口及圆角半径过小等；应力计算方面的错误。对于结构比较复杂的