失效分析機械零件與金屬結構及其系統(tǒng)零件失效即失去其原有功能。失效failure（1）完全喪失其功能（2）部分的失去其原有功能（3）潛在的喪失其功能1前言失效正常非正?！笆А迸c“事故”1前言概念原因結果事故可能是失效的結果，即產(chǎn)品或設備失效導致了事故的發(fā)生。注意區(qū)別

通常是指對失效產(chǎn)品為尋找失效原因和預防措施所進行的一切技術活動。就是研究失效現(xiàn)象的特征和規(guī)律，從而找出失效的模式和原因。失效分析是一門綜合性的質(zhì)量系統(tǒng)工程，是一門解決材料、工程結構、系統(tǒng)組元等質(zhì)量問題的工程學。失效分析FailureAnalysis

——1前言

材料失效分析機械零件失效分析金屬構件失效分析失效分析FailureAnalysis

——1前言

既要揭示產(chǎn)品功能失效的模式和原因，弄清失效的機理和規(guī)律，又要找出糾正和預防失效的措施。失效分析的任務一方面另方面1前言

按照失效分析工作進行的時序（在失效的前后）和主要目的，失效分析可分為事前分析、事中分析和事后分析。事前分析，主要采用邏輯思維方法（如故障樹分析法、事件時序樹分析法和特征—因素圖分析法等），其主要目的是預防失效事件的發(fā)生。事中分析，主要采用故障診斷與狀態(tài)監(jiān)測技術，用于防止運行中的設備發(fā)生故障。事后分析，是采用實驗檢測技術與方法，找出某個系統(tǒng)或零件失效的原因。

1前言實用性強，有很強的生產(chǎn)使用背景，與國民經(jīng)濟建設存在著密切關系失效分析學的顯著特點綜合性強，涉及廣泛的學科領域和技術部門1前言1前言1前言日本拆解華為P30，物料成本3500，日本零部件占比53%，美國1%。6.20蔚來西安ES8起火調(diào)查結果：底盤遭受過撞擊，電池短路所致。5.12BBC網(wǎng)站報道：Sansung’sfoldingphonebreaksforreviewers.4.18失效分析的意義創(chuàng)造巨大的社會經(jīng)濟效益；提高管理水平和促進產(chǎn)品質(zhì)量提高；分清責任和保護用戶（或生產(chǎn)者）利益；新產(chǎn)品開發(fā)的依據(jù)；修訂產(chǎn)品技術規(guī)范及標準的依據(jù)；促進材料科學與工程及其相關學科的發(fā)展。1前言失效分析工作涉及的領域：q制造業(yè)機械設備、汽車、工程機械、飛機、航天器、艦船、各類金屬構件等等，促進產(chǎn)品質(zhì)量提高，提高管理水平，設計、開發(fā)新品q設備用戶設備運行監(jiān)測，設備失效監(jiān)控，可靠性，索賠管理機構制訂政策、監(jiān)督機制q進出口檢驗監(jiān)督檢驗監(jiān)督q法律界由于失效導致的重大事故的法律責任的認定q保險機構保險賠付的認定及額度q科研、教育機構失效機制、分析方法研究，人員培訓q其它1前言產(chǎn)品經(jīng)理生產(chǎn)部工程部經(jīng)營部其他質(zhì)量保證部可靠性工程設計試制生產(chǎn)車間試驗與檢驗程序與審查質(zhì)量控制數(shù)據(jù)分析失效分析環(huán)境試驗設計保證數(shù)據(jù)分析與統(tǒng)計1前言bcc金屬冷脆的發(fā)現(xiàn)鉻不銹鋼的發(fā)明傳統(tǒng)的零件失效多指金屬零件，即由名義上的各向同性材料制成的零件。隨著材料科學的發(fā)展，復合材料的應用比重越來越大，在21世紀，復合材料將超過金屬材料的使用量，從而在材料中占有主導地位，因此應加強對復合材料失效的研究。1前言失效分析與生產(chǎn)現(xiàn)場所進行的廢品分析的區(qū)別：

涉及的專業(yè)知識、采用的思想方法及分析手段等方面，有許多共同之處。

在分析的對象、分析的目的及判斷是非的依據(jù)等方面是不同的。1前言注意區(qū)別

例

模數(shù)為7的傳動齒輪，采用20CrMnTi鋼制造，經(jīng)滲碳淬火并低溫回火處理。技術要求是：滲碳層的硬度58～63HRC，心部硬度32～48HRC，馬氏體及殘余奧氏體≤4級，滲碳層深度為1.3～1.5mm。該齒輪在使用中發(fā)生斷齒失效，試分析斷齒原因。1前言

分析一

按技術要求對該齒輪進行常規(guī)位查，其結果是：滲碳層硬度為62HRC，心部硬度為42HRC，馬氏體及殘余奧氏體為3級，滲碳層深度為1.1mm。

滲碳層深度為1.1mm，硬化層深度低于技術要求。1前言

分析二

按失效分析的觀點，在進行上述常規(guī)檢查后作進一步分析。分析表明，斷口為宏觀脆性斷裂（掉下的齒形呈凸透鏡狀），眾多初裂紋源于表面加工缺陷處。經(jīng)快速擴展后引起斷裂，屬過載類型的宏觀脆性斷裂。

如果增加硬化層的深度至1.3～1.5nm，符合技術要求，會怎么樣？研討1前言ProbabilisticSafetyAssessmentandManagementPSAM12,June2014,Honolulu,Hawaii

TowardMonitoringOrganizationalSafetyIndicatorsbyIntegratingProbabilisticRiskAssessment,Socio-TechnicalSystemsTheory,andBigDataAnalytics

JustinPencea,1,*,ZahraMohaghegha,CheriOstroffb,ErnieKeec,FatmaYilmazd,RickGrantome,andDavidJohnsonfaDepartmentofNuclear,Plasma,andRadiologicalEngineering,UniversityofIllinoisatUrbana-Champaign,Urbana,USAbUniversityofSouthAustralia,Adelaide,AustraliacYK.risk,LLC,BayCity,USAdSouthTexasProjectNuclearOperatingCompany,BayCity,USAeC.R.GrantomPE&Assoc.LLC,WestColombia,USAfABSConsulting,Irvine,USA1前言Organizationalfailuremechanismsarewidelyrecognizedaskeycontributorstosomeoftheworld’sworstaccidents(e.g.,PiperAlpha,Columbia,ThreeMileIsland,Chernobyl,Bhopal,Challenger,DeepwaterHorizon,andFukushima).Recently,theInternationalAtomicEnergyAgency(IAEA)reportedthatinNuclearPowerPlants(NPPs),80%ofsignificanteventsarecausedbyhumanerror,andofthosehumanerrorevents,70%areduetoorganizationalweaknesses(e.g.,lackoflinemanagementownership,weakselfassessments,insufficienttraining),and30%areduetoindividualmistakes[1].Thismeansthatonly20%ofallsignificanteventsarecausedbyequipmentfailure[2,3],and56%ofallsignificanteventsatNPPsarecausedbyorganizationalweaknesses[1].Therefore,theabilitytodetectorganizationalweaknessesiscriticalforpreventingcatastrophictechnologicalaccidents,andmaintainingpublichealthandsafety.1前言1前言1前言1前言1前言1前言教材與參考書：孫智等，失效分析，機械工業(yè)出版社（第三版），2025王榮等，失效機理分析與對策，機械工業(yè)出版社，2024陳南平等，機械零件失效分析，清華大學出版社，1998機械工程學會材料學會，失效分析叢書，機械工業(yè)出版社(12本）

ASMINTERNATIONAL，MetalsHandbook，NinthEdition，Vol.11，F(xiàn)ailureAnalysisandPrevention，U.S.A，1987RichardW.Hertzberg,DeformationandFractureMechanicsofEngineeringMaterials,(SecondEd.),JohnWiley&Sons,Inc.USA,1983

教學方法：

案例教學研討方式

7q著名材料科學家、中國科學院院士、中國工程院副院長師昌緒教授在1998年10月召開的第三次全國機電裝備失效分析預測預防戰(zhàn)略研討會上作了題為“提高失效分析人員素質(zhì)、促進失效學科發(fā)展”的講話。強調(diào)“通過這次會議，對失效分析會引起很大的重視，特別是領導部門，還有中國科協(xié)、中國機械工程學會等。

我想失效分析會越來越受到重視，因此，對參與失效分析的人員要求也越來越高。我特別強調(diào)對人員需要特別高的要求。第一專業(yè)知識要扎實，第二知識面要廣，

任何事都不是孤立的，而更重要的是從事失效分析人員的素質(zhì)問題。失效分析人員必須站在公正的立場，不受政治干擾，如果做不到這一點，我覺得就沒有資格去從事這項工作。

因此人員素質(zhì)是很重要的。另一個問題，任何一個失效分析都是綜合性的，這就需要大家合作，一個人絕對不可能完成這項工作，因此必須協(xié)作?！薄翱偠灾Х治鍪遣豢扇鄙俚模以絹碓街匾?。”

提高失效分析人員素質(zhì)、促進失效學科發(fā)展2

失效分析基礎知識22.1.1失效形式及其原因序號失效類型失效形式直接原因1過量變形失效a.扭曲（如花鍵）b.拉長（如緊固件）c.脹大超限（如液壓活塞缸體）d.高低溫下的蠕變（如動力機械）e.彈性元件發(fā)生永久變形

由于在一定載荷條件下發(fā)生過量變形，零件失去應有功能不能正常使用。2斷裂失效一次加載斷裂（如拉伸、沖擊、持久等）

由于載荷或應力強度超過當時材料的承載能力而引起。環(huán)境介質(zhì)引起的斷裂（應力腐蝕、氫脆、液態(tài)金屬脆化，輻照脆化和腐蝕疲勞等）

由于環(huán)境介質(zhì)、應力共同作用引起的低應力脆斷。疲勞斷裂：低周疲勞，高周疲勞。彎曲、扭轉、接觸、拉-拉、拉-壓、復合載荷譜疲勞與熱疲勞，高溫疲勞等。

由于周期（交變）作用力引起的低應力破壞。3表面損傷失效磨損：主要引起幾何尺寸上的變化和表面損傷（發(fā)生在有相對運動的表面）。主要有粘著磨損和磨粒磨損。

由于兩物體接觸表面在接觸應力下有相對運動造成材料流失所引起的一種失效形式。腐蝕：氧化腐蝕和電化學腐蝕，沖蝕，氣蝕，磨蝕等。局部腐蝕和均勻腐蝕。

環(huán)境氣氛的化學和電化學作用引起。2.1機械零件失效形式與來源3失效分析工作者:致斷原因（斷裂機理或斷裂模式）→機械零件的斷裂失效：（1）過載斷裂失效；（2）疲勞斷裂失效；（3）材料脆性斷裂失效；（4）環(huán)境誘發(fā)斷裂失效；（5）混合斷裂失效。

2.1機械零件失效形式與來源便于從失效模式上對失效件進行更深入的分析和理解2.1.1失效形式及其原因斷裂失效的分類32.1.2失效的來源

引起零件早期失效的原因是很多的，主要有以下幾方面：

1、設計與選材上的問題；

2、加工、熱處理或材質(zhì)上的問題；

3、裝配上的問題；

4、使用、操作和維護不當?shù)膯栴}。在失效的原因中，設計和制造加工方面的問題占50%以上?。。。?！2.1機械零件失效形式與來源32.1.2失效的來源

1、設計問題（1）在高應力部位存在溝槽、機械缺口及圓角半徑過小等；（2）應力計算方面的錯誤。對于結構比較復雜的零件，所承受的載荷性質(zhì)、大小缺少足夠的資料。（3）設計判據(jù)不正確。對產(chǎn)品的服役條件了解不夠，設計判據(jù)選用錯誤。2.1機械零件失效形式與來源32、材料選擇上的缺點

（1）選材的判據(jù)有誤

（2）材料中的缺陷2.1機械零件失效形式與來源2.1.2失效的來源后面重點分析32.1.2失效的來源

3、加工制造及裝配中存在的問題

加工方法不正確，技術要求不合理，操作者失誤熱處理不當：過熱，回火不充分，加熱速度過快，熱處理方法選用不合理，氧化脫碳，變形開裂，晶粒粗大，材料的性能未達到規(guī)定要求。2.1機械零件失效形式與來源32.1.2失效的來源

3、加工制造及裝配中存在的問題

酸洗及電鍍時引起對材料的充氫導致的氫致?lián)p傷。不文明施工，不按要求安裝等容易造成零件表面損傷或?qū)е職堄鄳Α⒏郊討Φ取?.1機械零件失效形式與來源32.1.2失效的來源

4、不合理的服役條件

不合理的起動和停車、超速、過載服役、溫度超過允許值、流速波動超出規(guī)定范圍（過高或過低）以及異常介質(zhì)的引入等。2.1機械零件失效形式與來源32.2應力集中與零件失效2.2.1應力集中與應力集中系數(shù)

應力集中系數(shù)：表征應力集中程度大小的系數(shù)。應力集中：零件截面有急劇變化處，就會引起局部地區(qū)的應力高于受力體平均應力的現(xiàn)象應力集中現(xiàn)象應力集中系數(shù)：

影響應力集中系數(shù)的因素很多，如零件結構，缺口位置、大小，材料種類，載荷性質(zhì)等，具體情況應具體分析。應力集中的程度首先是與缺口的形狀有關。32.2應力集中與零件失效不同試樣的應力集中系數(shù)形狀應力集中類型載荷類型應力集中系數(shù)（

）集中特性t/r

510板材細小的單邊或雙邊切口rH

0.1mm拉伸或壓縮5.57.5棒材細小的環(huán)形外部切口或內(nèi)部小空腔rH

0.1mm拉伸3.5-4.04.5-5.0彎曲2.7-2.83.5扭轉外部切口3.04.0內(nèi)部切口1.62.0管材內(nèi)部或外部的細小環(huán)形切口rH

0.1mm拉伸或彎曲3.5-4.04.5-5.0扭轉3.04.032.2應力集中與零件失效2.2.2應力集中對零件失效的影響

實際金屬構件因其結構需要而具有各種孔、臺階、槽、缺口和幾何尺寸變化等。同時，零件或構件在加工以及材料在冶煉過程中不可避免的會產(chǎn)生一些缺陷，如零件表面的加工刀痕，截面變化時的圓角過渡不光滑，螺紋根部尖角，材料中的夾雜物、裂紋等。實踐證明，在這些部位，都會產(chǎn)生應力集中現(xiàn)象。當應力集中區(qū)的最大應力大于材料的強度極限時，就會導致機械構件首先在應力集中部位或附近發(fā)生斷裂失效。有時發(fā)生的斷裂，其名義應力（平均應力）遠低于材料的設計強度，這也是金屬構件發(fā)生斷裂失效的一個重要因素。32.2應力集中與零件失效1．材料的缺口敏感性缺口敏感性NSR：缺口試樣的抗拉強度光滑試樣的抗拉強度

比值NSR越大，敏感性越小。當NSR>1，說明缺口處發(fā)生了塑性變形的擴展，比值越大說明塑變擴展量越大，脆化傾向越小。

?在實際使用時，還要考慮尺寸因素（尺寸愈大，缺陷出現(xiàn)的幾率愈大，NSR越低）及表面因素（表面越粗糙，NSR降低的越多）。32.2應力集中與零件失效2．影響應力集中與斷裂失效的因素材料機械性能的影響

料硬度越高，脆性越大，塑性韌性越低，應力集中作用越強烈，其裂紋擴展速率也越大。零件幾何形狀的影響零件在應力集中處產(chǎn)生淬火裂紋示意圖零件在應力集中處產(chǎn)生疲勞裂紋示意圖結構上的需要或設計上的不合理32.2應力集中與零件失效2．影響應力集中與斷裂失效的因素零件應力狀態(tài)的影響加工缺陷的影響

當材料質(zhì)量合格，幾何形狀合理的情況下，裂紋起源的部位主要受零件應力狀態(tài)的影響，此時，裂紋將在最大應力處形成。應盡量避免人為的應力集中。

零部件加工精度不高，或者沒有按照圖紙要求加工，致使零件的實際應力集中系數(shù)比計算值高出許多，從而使實際應力加大，導致開裂失效。特別關注實際生產(chǎn)中能夠形成的各種缺陷32.2應力集中與零件失效2．影響應力集中與斷裂失效的因素裝配、檢驗產(chǎn)生缺陷的影響

設備和構件在安裝過程中，如果不嚴格要求，就會產(chǎn)生不應有的安裝缺陷，如構件表面的劃傷、錘擊坑等。

有趣的實例：

某腐蝕防護工程需要鋪設不銹鋼鋼板，工人在操作時，穿的是帶釘?shù)钠ば?，在不銹鋼鋼板表面造成了踩踏形成的坑。在踩踏坑周邊，由于應力集中的作用，其應力增加，應力腐蝕裂紋即從這些地方開始。

某廠生產(chǎn)的采油機減速器發(fā)生二級軸斷裂。經(jīng)分析，斷裂為疲勞斷裂，疲勞裂紋擴展區(qū)與最后瞬斷區(qū)的比例高于80%。經(jīng)查，材質(zhì)沒有問題，表面加工光潔度也沒有問題。最后分析確認，疲勞裂紋源于表面的一串小坑。經(jīng)了解，檢驗人員當時出于“認真”考慮，在檢測時沿周向畫了一條線，7個硬度坑在一條線上且相距不遠，最后形成應力集中，導致發(fā)生疲勞開裂。32.2應力集中與零件失效2.2.3降低應力集中的措施1．從強化材料方面降低應力集中的作用

采取局部強化以提高應力集中處的材料疲勞強度，從而減少應力集中的危害。表面熱處理強化具體措施（例）:

薄殼淬火噴丸強化滾壓強化激光、等離子強化在進行失效分析過程中，要注意各種表面強化層的缺陷以及不合理的設計32.2應力集中與零件失效2.2.3降低應力集中的措施2．從設計方面降低應力集中系數(shù)變截面部位的過渡根據(jù)零件的受力方向和位置選擇適當?shù)拈_孔部位

應盡可能地加大過渡部分的圓角，使過渡區(qū)接近于流線型，同時也要考慮到工藝性。改變過渡方式。

孔一般應開在低應力區(qū)，如必須開在高應力區(qū)，則應采取補強措施。橢圓形的長軸應與主應力方向平行，以降低應力集中系數(shù)。32.2應力集中與零件失效2.2.3降低應力集中的措施在應力集中區(qū)附近的低應力部位增開缺口和圓孔。使應力的流線比較和緩，從而降低最大應力峰值。增開缺口（或圓孔）對應力集中的影響加開卸載槽對應力集中的影響實際分析時注意反向分析32.3殘余應力與零件失效2.3.1殘余應力

物體在無外載荷時存在于其內(nèi)部并保持平衡的一種應力稱為內(nèi)應力，第一類、第二類、第三類殘余應力。

零件在工作時，殘余應力將和載荷應力迭加。殘余壓應力能夠提高零件的疲勞抗力、抗應力腐蝕的能力等。殘余拉應力總是有害的，將降低疲勞抗力、抗應力腐蝕的能力等。

殘余應力的存在有可能使得零件在使用過程中因殘余應力的重新分布，使零件的形狀尺寸發(fā)生變化，導致零件不能正常使用，過大的殘余應力甚至能夠直接造成零件的開裂。

有許多失效問題就是由殘余應力引發(fā)的。理解殘余應力的產(chǎn)生和正確分析殘余應力的分布對失效分析是很重要的。32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生1．熱處理殘余應力熱處理殘余應力是由熱應力和組織應力疊加的結果。熱應力分布示意圖（a）冷卻初期

（b）冷卻后期組織應力分布示意圖（a）表面發(fā)生相變時

（b）心部發(fā)生相變時32.3殘余應力與零件失效

零件整體淬火后的殘余應力分布比較復雜，要視具體零件結構、材料的淬透性等具體分析。對許多種鋼的殘余應力的研究結果，大體可分為五種類型。2.3.2殘余應力的產(chǎn)生1．熱處理殘余應力熱處理淬火殘余應力類型K—表層，R—心部32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生1．熱處理殘余應力

實例心部軸向心部周向表面軸向表面軸向火焰淬火殘余應力分布材料：0.97%C硬化深度：2.4～2.8mm軋輥淬火殘余應力中心表面32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生（2）化學熱處理引起的殘余應力（D表示有效滲碳層深度）

D=0.8mm

滲碳層殘余應力分布氮化層殘余應力分布32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生一般影響滲碳淬火試樣殘余應力的因素有：(1)滲碳厚度影響。對應于不同滲碳層的深度，其殘余應力的產(chǎn)生狀態(tài)將有各自不同的過程。典型研究顯示隨著滲碳深度增加，外表層的殘余應力有減小的傾向。(2)試樣直徑大小的影響。試樣大小對滲碳層淬火殘余應力的影響比滲碳厚度還要明顯，這是由于急冷時斷面內(nèi)冷卻曲線的差別造成的。在相同滲碳厚度時，試樣直徑越大則表層的殘余壓應力越高。(3)鋼種的影響。鋼種不同，材料的高溫屈服強度必然不同，因此相變進行過程中所產(chǎn)生的應力狀態(tài)也就不同。對合金鋼來說其應力就較大。由于合金鋼滲碳淬火時基體也會發(fā)生馬氏體相變，因此對表面殘余壓應力有減輕的作用。（2）化學熱處理引起的殘余應力32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生3．焊接殘余應力（a）試樣尺寸焊縫在約束情況下的殘余應力（b）x軸上的應力分布

（c）y軸上的應力分布32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生3．焊接殘余應力

對于焊接構件，殘余應力的影響是非常重要的，它的大小、分布狀態(tài)對脆性破壞、疲勞破壞、應力腐蝕開裂及其他破壞都有很大的不良影響。包括激光、等離子焊接和增材制造。焊接殘余應力的形成原因(1)直接應力。進行不均勻加熱的結果。(2)間接應力。焊前加工狀況所造成的應力。(3)組織應力。由于組織變化而產(chǎn)生的應力。失效分析時需要針對性的分析32.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生4.涂鍍層引起的殘余應力實例金屬電鍍?nèi)芤簯Γ∕Pa）CrNiCuCoZnZdPb鉻酸—硫酸50°C鉻酸—硫酸65°C鉻酸—硫酸85°C光亮鍍鎳用液純凈光亮鍍鎳用液+雜質(zhì)光亮鍍鎳用液+糖精酒石酸鉀鈉—氰化物酒石酸鉀鈉—氰化物+硫氰酸鉀硫酸鹽酸氰化物過氯酸鹽1072554321072251961-28315～630-56～12-8-3132.3殘余應力與零件失效2.3.2殘余應力的產(chǎn)生

激光強化層的殘余應力沿層深的分布(a)σX—層深分布曲線(b)σY—層深分布曲線

1-1500W，25mm/s

2-1000W，25mm/s4.涂鍍層引起的殘余應力實例32.3.2殘余應力的產(chǎn)生噴涂工藝方法對NiCrSi

涂層殘余應力的影響

火焰噴涂涂層內(nèi)殘余應力與其厚度的關系4.涂鍍層引起的殘余應力實例2.3殘余應力與零件失效32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.1低應力脆斷及材料的韌性低應力脆性斷裂的特點：通常發(fā)生脆斷時的宏觀應力很低，按強度設計是安全的。脆斷通常發(fā)生在比較低的工作溫度下。脆斷從應力集中處開始，裂紋源通常在結構或材料的缺陷處，如缺口、裂紋、夾雜等。厚截面、高應變速率促進脆斷。對于脆性斷裂，從這些特點進入分析狀態(tài)，則基本可以得出結論32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.1低應力脆斷及材料的韌性

材料從變形到斷裂全過程中吸收能量的大小，是強度和塑性的綜合表現(xiàn)。材料韌性：球鐵和低碳鋼拉伸曲線所表示的韌性為什么提出韌性的概念？？？

在強度設計中已經(jīng)考慮了應力集中現(xiàn)象。但是強度設計的安全判據(jù)不足以防止脆斷的發(fā)生，這說明僅用強度、塑性、彈性這些性能指標不能反映材料抵抗脆斷的能力，于是韌性便被提出作為材料的一個新的性能指標。32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.1低應力脆斷及材料的韌性應力場強度因子KI能夠反映脆性斷裂發(fā)生和裂紋擴展的力學參量?；贕riffith斷裂理論≤脆性斷裂的安全判據(jù)臨界J積分（Jc）及臨界張開位移（COD）等韌性指標32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.2斷裂韌性在結構設計和失效分析中的應用KIC是材料常數(shù)，對選定的材料可以根據(jù)允許存在的裂紋長度計算臨界工作應力，也可由設計的工作應力計算允許的裂紋長度，或者由工作條件選擇材料及確定合理的熱處理工藝。在疲勞或應力腐蝕條件下，還可由裂紋生長的速度估算零、部件的壽命。因此，像強度設計中的ReL一樣，KIC是斷裂設計的基本性能指標。32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.2斷裂韌性在結構設計和失效分析中的應用例：一厚板零件，使用0.45C-Ni-Cr-Mo鋼制造。此鋼的KIC與Rm的關系見圖。制造廠無損檢測能檢驗的裂紋長度在4mm以上，設計工作應力討論：(1)工作應力

d=750MPa時，檢測手段能否保證防止發(fā)生脆斷？(2)企圖通過提高強度以減輕零件重量，若Rm提高到1900MPa是否合適？(3)如果Rm提高到1900MPa，則零件的允許工作應力是多少？

鋼的斷裂韌性與強度關系32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.2斷裂韌性在結構設計和失效分析中的應用解：設厚板內(nèi)部有與

d垂直的半徑為a的圓形裂紋，則

(1)選用鋼材1（0.049%S）時，Rm=2

d=1500MPa，由圖得到則可計算出裂紋臨界長度：2a

12.1mm

4mm即裂紋在達到臨界尺寸前就可以檢測出來，因此現(xiàn)有檢測手段可以防止發(fā)生脆斷。32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.2斷裂韌性在結構設計和失效分析中的應用(2)仍選用鋼材1，通過熱處理提高材料強度。Rm=1900MPa，則相應，則其裂紋臨界度2a約為4.35mm

4mm，則可避免發(fā)生脆斷。

d=Rm/2=950MPa，則裂紋臨界長度：2a=2.1mm4mm即臨界裂紋長度小于檢測范圍，因而不能保證不發(fā)生脆性斷裂。若改用最優(yōu)的鋼材4（0.008%S），對應于Rm=1900MPa，其32.4材料的韌性與斷裂設計2.4.2斷裂韌性在結構設計和失效分析中的應用（3）在Rm=1900MPa時，對鋼材1，在臨界裂紋2a=4mm時，其工作應力為

d

685MPa對鋼材4，在臨界裂紋2a=4mm時，其工作應力為

d

990MPa結論：

不考慮韌性而片面提高材料強度降低了構件的斷裂抗力，降低了構件的安全性。

檢測手段對防止脆斷的發(fā)生是很關鍵的。設計、選材時必須考慮臨界裂紋尺寸一定要大于檢測設備探傷極限尺寸，否則，不能防止脆斷發(fā)生。

其他有關的應用詳見后續(xù)內(nèi)容。32.5應力分析與失效分析2.5.1應力狀態(tài)分析與強度理論1．材料的失效形式和應力狀態(tài)應用應力狀態(tài)的概念，分析材料破壞的原因

不同的材料在受力相同的情況下可能出現(xiàn)不同的失效形式，塑性材料一般會出現(xiàn)塑性變形，而脆性材料一般會出現(xiàn)脆性斷裂。同一種材料在不同的受力狀況下也會有不同的失效形式，這一點在失效分析中應引起足夠重視。例如鑄鐵，在拉伸、扭轉時都是脆斷，但受壓時卻表現(xiàn)出一定的塑性。光滑試樣與缺口試樣的拉伸行為也各不相同?？梢姴牧系氖问讲皇且怀刹蛔兊?，但這個變化是有條件的，即應力狀態(tài)的變化或影響，另外還有溫度、加載速率等也起作用。32.5應力分析與失效分析2.5.1應力狀態(tài)分析與強度理論1．材料的失效形式和應力狀態(tài)應用應力狀態(tài)的概念，分析材料破壞的原因圓軸扭轉時的應力狀態(tài)及鑄鐵試樣受扭時的斷裂現(xiàn)象按照圓軸扭轉時的應力狀態(tài)，沿正應力方向的斷裂為脆性斷裂，與軸向呈45°螺旋狀；沿切應力方向斷裂為韌性斷裂，與軸向幾乎垂直。32.5應力分析與失效分析2.5.1應力狀態(tài)分析與強度理論2．強度理論

材料在不同的應力狀態(tài)下表現(xiàn)出不同的失效形式，與材料在對應狀態(tài)下表現(xiàn)出來的抗力有關。在工程實際中，大多數(shù)受力零件的危險點都處于復雜應力狀態(tài)下。顯然，在復雜應力狀態(tài)下，不能再仿照在簡單應力狀態(tài)下實驗的方法來確定強度條件。對于在不同的應力狀態(tài)下如何表示材料的抗力，人們提出了種種假說，推測材料在復雜受力狀態(tài)下破壞的原因，這就是強度理論，常見的有五種，見表2-5。

有了這些理論，便可根據(jù)簡單實驗（如拉伸試驗）所測得的材料抗力，分析計算其他復雜應力狀態(tài)下材料的強度。42.5.1應力狀態(tài)分析與強度理論（1）材料的失效形式和應力狀態(tài)脆斷剪斷屈服（2）強度理論名稱基本假設相當應力表達式強度條件應用范圍第一強度理論（最大拉應力理論）最大拉應力是引起材料破壞的原因。極脆材料（淬火鋼、鑄鐵、陶瓷等）。三向拉應力狀態(tài)。第二強度理論（最大拉應變理論）最大拉應變是引起材料破壞的原因。壓、扭聯(lián)合作用下的脆性材料。第三強度理論（最大切應力理論）最大切應力是引起材料破壞的原因。同第四強度理論。第四強度理論（統(tǒng)計平均剪應力理論）最大剪應力無疑是材料屈服的主要原因，但其他斜面上的切應力也有影響，所以應用統(tǒng)計平均切應力。塑性材料（低碳鋼、非淬硬中碳鋼、退火球鐵、銅、鋁等）的單向或二向應力狀態(tài)。任何材料在二向或三向壓縮應力狀態(tài)。莫爾理論（修正后的第三強度理論）在最大切應力的基礎上，應加正應力的影響。拉壓強度極限不等的脆性或低塑性材料在二向應力狀態(tài)（二向壓縮除外）的精確計算。2.5應力分析與失效分析32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力如連桿、螺栓、鋼絲繩等失效分析

此類零件的斷裂應首先區(qū)分是韌斷還是脆斷。(1)韌斷1)首先按傳統(tǒng)的強度理論進行強度校核，檢查載荷是否估計不足，即安全系數(shù)是否太小或者未予以考慮。2)分析材料的組織狀態(tài)，檢查硬度，檢查是否有氧化脫碳、淬火裂紋及心部是否淬硬等。3)如果上述問題不存在，應作化學成分分析。(2)脆斷

除作上述考慮外，尚需進行斷裂韌性檢查，主要分析微觀裂縫的存在對韌性的影響。32.5應力分析與失效分析例

國產(chǎn)45Si2Mn高強度螺栓，在加工制造過程中，不可避免地存在著深為a=0.5mm，半寬c=2.0mm的表面裂紋，其工作應力為

=960MPa。淬火并低溫回火后材料的強度Rm=2110MPa，ReL=1920MPa，KIC=39.50MPa

m-1/2，在使用中發(fā)生脆斷，試分析原因。2.5.2單向拉（壓）應力32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力分析一

按傳統(tǒng)強度理論校核結果是安全的32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力分析二

因為是高強度材料，需進行斷裂力學方面的校核。作為近似計算，該裂紋認為是一個張開型的表面裂紋。按照裂紋形狀因子數(shù)據(jù)，將有關數(shù)據(jù)代入后得

c=948.5MPa。結論

零件最大承載能力為948.5MPa，低于實際的工作應力960MPa，故發(fā)生斷裂失效；又因其斷裂時的應力小于材料的屈服極限，所以必然是脆性斷裂。32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力

將淬火低溫回火改為調(diào)質(zhì)處理，則得Rm=1540MPa，ReL

=1440MPa，KIC=66.36MPa

m1/2，其結果：安全

在有裂紋存在情況下由斷裂韌性求得

c=1564.5MPa

（工作應力，960MPa）。?減小強度的安全系數(shù)，即降低材料的ReL和Rm值，構件的安全

性能反而提高了。32.5應力分析與失效分析2.5.3平面拉應力受平面拉應力的典型零件是薄壁壓力容器失效分析失效形式：泄漏（韌性斷裂），爆炸（脆性斷裂）。例

某廠生產(chǎn)的高壓氣瓶，內(nèi)徑d=435mm，壁厚t=14.5mm，額定工作壓強p=20MPa，鋼材的ReL=750MPa，KIC=126.4MPa

m-1/2，氣瓶常在縱向焊縫處出現(xiàn)a=0.5mm，c=1.5mm的表面裂紋，設計要求是在使用中氣瓶的裂紋即使擴展，也保證不會發(fā)生低應力斷裂（爆炸），試問．能否實現(xiàn)？32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力

ac

t

則先泄漏

ac

t則先爆破壓力容器的防爆設計保證先泄漏，不爆裂臨界裂紋ac必須大于容器壁厚由可得32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力

斷裂力學分析

縱向裂紋可簡化為一個橢圓的片狀表面裂紋，且為張開型，由其臨界應力強度因子可得臨界應力MPa。由裂紋的形狀、應力狀態(tài)可求得裂紋的臨界尺寸為ac=0.057m。

結果

a

c=57mm

t

=14.5mm，故不會發(fā)生低應力斷裂，即脆斷（爆裂）。32.5應力分析與失效分析2.5.2單向拉（壓）應力3失效分析基本方法思想方法

3.1.1失效分析的原則3.1失效分析的思路及方法1、整體觀念原則2、從現(xiàn)象到本質(zhì)的原則3、動態(tài)原則4、一分為二原則（兩分法原則）5、縱橫交匯原則（立體性原則）第一，盡可能采用比較方法。第二，歷史方法。第三，邏輯方法。應當注意

相關性方法3.1失效分析的思路及方法3.1.2相關性分析的思路及方法

一般用于具體零、部件及不太復雜的設備系統(tǒng)的失效分析中。按照失效件制造的全過程及使用條件的分析方法2.根據(jù)產(chǎn)品的失效形式及失效模式分析的思路及方法3.“五M”分析思路及方法全程方法3.1失效分析的思路及方法1．按照失效件制造的全過程及使用條件的分析方法（1）審查設計

如對使用條件估計不足進行的設計，標準選用不當，設計判據(jù)不足，高應力區(qū)有缺口，截面變化太陡，缺口或凹倒角半徑過小及表面加工質(zhì)量要求過低等均可能是致斷因素。（2）材料分析

材料選用不正確，熱處理制度不合理，材料成分不合格，夾雜物超級，顯微組織不符合要求，材料各向異性嚴重，冶金缺陷等。全程方法3.1失效分析的思路及方法1．按照失效件制造的全過程及使用條件的分析方法（3）加工制造缺陷分析

鑄、鍛、焊、熱處理缺陷，冷加工缺陷，酸銑、電鍍?nèi)毕?，碰傷，工序間銹蝕嚴重，裝配不當，異物混入及漏檢等。（4）使用及維護情況分析

超載、超溫、超速，啟動、停車頻繁或過于突然，潤滑制度不正確，潤滑劑不合格，冷卻介質(zhì)中混有硬質(zhì)點，未按時維修保養(yǎng)，意外災害預防措施不完善等。

基本方法3.1失效分析的思路及方法2.根據(jù)產(chǎn)品的失效形式及失效模式分析的思路及方法

較為常用的分析方法。一個具體的零件失效后，根據(jù)其表現(xiàn)形式（過量變形、表面損傷和斷裂）進一步分析失效模式，然后分析導致這種失效模式的內(nèi)部因素和外部因素，最后找出失效的原因。四M方法3.1失效分析的思路及方法3.“五M”分析思路及方法

所謂“四M”分析法，是指將Man（人）、Material（材料）、Machine（機器設備）、Media（環(huán)境介質(zhì)）和Management（管理）作為一個統(tǒng)一的系統(tǒng)進行分析的方法。對于一個比較復雜的系統(tǒng)常采用此種方法。依此分別進行五方面的分析工作系統(tǒng)工程法3.1失效分析的思路及方法3.1.3失效系統(tǒng)工程分析法

失效系統(tǒng)工程是把復雜的設備或系統(tǒng)和人的因素當作一個統(tǒng)一體，運用數(shù)學方法和計算機等現(xiàn)代化工具，來研究設備或系統(tǒng)失效的原因與結果之間的邏輯聯(lián)系，并計算出設備或系統(tǒng)失效與部件之間的定量關系。主要類型3.1失效分析的思路及方法1失效系統(tǒng)工程分析法主要類型：（1）故障樹分析法（簡稱FTA法）（2）特征—因素圖分析法（3）事件時序樹分析法（簡稱ETA法）（4）故障率預測法（5）失效模式及后果分析法（簡稱FMEA法）（6）模糊數(shù)學分析法故障樹法3.1失效分析的思路及方法2．故障樹分析法

基本概念

故障樹分析法是美國委記貝爾電話研究所于1961年首先提出來的。故障樹分析的概念來自數(shù)學圖論中樹的概念和計算機算法符號。在分析中把分析的設備叫做系統(tǒng)，把組成該設備的零件叫組元。零件的工作狀態(tài)用一些參數(shù)（壓力、溫度、流量）來描述。每種零件都處于兩種狀態(tài)（完好與失效）中的一種。因此，設備也處于兩種狀態(tài)中的一種：正?；蚴?。所謂故障樹分析就是分析各種事件（系統(tǒng)組元的狀態(tài)變化）之間的邏輯關系，分清正常事件和異常事件（失效事件），再找出失效原因。故障樹法3.1失效分析的思路及方法工作程序

確定不希望發(fā)生的事件（上端事件）；對設備的設計、制造、維修、使用等技術資料進行分析；合成故障樹（采用手工或計算機）；求出能使上端事件發(fā)生的必要且充分的最小數(shù)目的基本事件的集合；收集計算時必須的故障率數(shù)據(jù)；計算上端事件發(fā)生的概率；對基本事件的重要度作評價；分析計算結果，提出改進措施。故障樹法3.1失效分析的思路及方法所用符號

故障樹是一種邏輯圖，是根據(jù)一定的邏輯方式把一些特殊符號連接起來的樹形圖。通常在故障樹中出現(xiàn)的符號大體上可分為邏輯門符號、故障事件符號和其它符號三類。故障樹的合成

根據(jù)系統(tǒng)及其故障的已知數(shù)據(jù)和資料，繪制故障樹。在采用手工合成故障樹時，一邊反復提出問題一邊對樹進行展開。對各個門事件提出的問題是：該事件是由于單一組元的故障引起的，還是由另外什么組元的故障引起的？引起該事件的必要且充分故障是什么？將圖展開到基本事件（原因）或沒有必要再發(fā)展的事件為止。故障樹法

符號3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法

如圖是一個冷卻劑的供應系統(tǒng)，該系統(tǒng)是由恒速泵、熱交換器、控制閥、蓄水池及管道五個組元組成的。該系統(tǒng)的作用是對主要設備供應足夠的冷卻劑。因此，流到熱交換器的冷卻劑最少則為故障樹的上端事件。為分析其失效原田而繪制故障樹。例故障樹例3.1失效分析的思路及方法定義與特征3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法故障樹例3.1失效分析的思路及方法各底事件發(fā)生概率的均值及其左右分布事件均值m

分布

、

事件均值m

分布

、

事件均值m

分布

、

x10.00025.034

10-5x70.00025.034

10-5x130.000012.517

10-6x20.00102.517

10-4x80.00025.034

10-5x140.000012.517

10-6x30.00307.551

10-4x90.00102.517

10-4x150.00012.517

10-5x40.00041.007

10-4x100.00092.265

10-4x160.00012.517

10-5

x50.00071.762

10-4x110.00205.034

10-4x170.00012.517

10-5x60.00061.510

10-4x120.00102.517

10-4x180.00012.517

10-5G180.00025.033

10-5G170.00041.006

10-4TOP0.00601.506

10-3G60.00751.881

10-3G40.00751.881

10-3

數(shù)理統(tǒng)計法3.1失效分析的思路及方法3數(shù)理統(tǒng)計分析思路及方法

巴特雷圖相關性分析灰色關聯(lián)分析

程序步驟

3.2.1分析程序的意義

3.2失效分析的程序與步驟

失效分析是一項復雜的技術工作，它不僅要求失效分析工作人員具備多方面的專業(yè)知識，而且要求多方面的工程技術人員，操作者及有關的科學工作者的相互配合，才能圓滿地解決問題。因此，如果在分析以前沒有設計出一個科學的分析程序和實施步驟，往往就會出現(xiàn)工作忙亂、漏取數(shù)據(jù)、工作緩慢或走彎路，甚至把分析時步驟搞顛倒，使某些應得的信息被另一提前的步驟給毀掉了。

首先制定一個科學的分析程序，是保證失效分析工作順利而有效進行的前提條件。程序步驟3.2.2失效分析的一般程序

一般說來，大體上包括：調(diào)查失效事件的現(xiàn)場收集背景材料深入研究分析綜合歸納所有信息并提出初步結論重現(xiàn)性試驗或證明試驗確定失效原因并提出建議措施寫出分析報告等內(nèi)容。

3.2失效分析的程序與步驟現(xiàn)場調(diào)查3.2失效分析的程序與步驟l、現(xiàn)場調(diào)查（1）保護現(xiàn)場（2）查明事故發(fā)生的時間、地點及失效過程（3）收集殘骸碎片，標出相對位置，保護好斷口（4）選取進一步分析的試樣（5）詢問目擊者及其他有關人員能提供的有關情況（6）寫出現(xiàn)場調(diào)查報告收集材料收集背景材料3.2失效分析的程序與步驟（1）設備的自然情況（2）設備的運行記錄（3）設備的維修歷史情況（4）設備的失效歷史情況（5）設計圖紙及說明書，裝配程序說明書，使用維護說明書（6）材料選擇及其依據(jù)（7）設備主要零部件的生產(chǎn)流程（8）質(zhì)量檢驗報告及有關的規(guī)范和標準技術參量3.2失效分析的程序與步驟技術參量復驗（1）材料的化學成分（2）材料的金相組織及硬度（3）常規(guī)力學性能（4）主要零部件的幾何參量及裝配間隙深入研究3.2失效分析的程序與步驟4．深入分析研究（1）失效產(chǎn)品的直觀檢查（變形，損傷情況，裂紋擴展，斷裂源）（2）斷口的宏觀分析及微觀形貌分析（多用掃描電鏡）（3）無損探傷檢查（渦流、著色、磁粉、同位素、X射線、超聲波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能譜）（5）局部或微區(qū)成分分析（輝光光譜、能譜、電子探針）（6）相結構分析（X射線衍射法）（7）斷裂韌性檢查，強度、韌性及剛度校核深入研究3.2失效分析的程序與步驟無損探傷基礎渦流——利用渦流的集膚效應，探查表層的缺陷。渦流探傷儀。準確度較高。著色——利用高滲透性的有色液體（著色劑）涂抹金屬表面，缺陷處能夠滲入，利用色差分辨。準確度一般。磁粉——利用磁性液體（磁粉探傷劑）噴涂金屬表面，缺陷處能夠滲入，利用色差分辨。準確度較著色高。同位素——利用放射性同位素缺陷衰減原理，重要結構。深入研究3.2失效分析的程序與步驟無損探傷基礎X射線——利用X射線的高穿透能力，對金屬缺陷可實現(xiàn)定性、定位、定尺。X射線探傷儀。優(yōu)點：準確度高，不受材料性質(zhì)限制，無表面特殊要求。應用廣泛，可實現(xiàn)自動掃描。限制：放射性，需要保護。穿透深度有限（60mm）。超聲波——利用超聲波在固體介質(zhì)中的高穿透能力以及不同材料對超聲波穿透和反射的差異，實現(xiàn)對缺陷的探測。超聲波探傷儀。優(yōu)點：無放射性，不需保護。穿透厚度無限制。應用廣泛，可實現(xiàn)自動探傷。限制：對缺陷定性困難。表面質(zhì)量要求高。分析報告3.2失效分析的程序與步驟5綜合分析歸納，推理判斷提出初步結論根據(jù)失效現(xiàn)場獲得的信息、背景材料及各種實測數(shù)據(jù)，運用材料學、機械學、管理學及統(tǒng)計學等方面的知識，進行綜合歸納、推理判斷、分析后，初步確定失效模式并提出失效原因的初步意見和預防措施。6．重現(xiàn)性試驗或證明試驗重大事件7．撰寫失效分析報告失效分析報告與科學研究報告相比較，除了條理清晰、簡明扼要、合乎邏輯方面相同外，二者在格式和側重點等許多方面都有所不同。失效分析側重于失效情況的調(diào)查、取證和驗證，在此基礎上通過綜合歸納得出結論、而不著重探討失效機理，這就有別于斷裂機理的研究報告。分析報告3.2失效分析的程序與步驟機械產(chǎn)品的失效分析報告通常應包括的內(nèi)容

（2）失效事件的調(diào)查結果簡明扼要地介紹失效部件的損壞情況。當時的環(huán)境條件及工況條件；當事人和目擊者對失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有關的技術要求和標準。

（1）概述首先介紹失效事件的自然情況；受何部門或單位的委托；分析的目的及要求；參加分析人員情況；起止時間等。分析報告3.2失效分析的程序與步驟

（3）分析結果為了尋找失效原因，采用何種方法和手段做了哪些分析工作、有何發(fā)現(xiàn)，按照認識的自然過程一步步地介紹清楚。對于斷裂件的分析，斷口的宏觀和微觀分析、材料的選擇及冶金質(zhì)量情況分析，力學性能及硬度的復檢、制造工藝及服役條件的評價等分析內(nèi)容通常是不可缺少的.

（5）結論與建議結論要準確，建議要具體、切實可行。寫明遺留的問題、尚需進一步觀察和驗證的問題等。

（4）問題討論必要時，對分析工作中出現(xiàn)的異常情況、觀點上的分歧、失效機理的看法等問題進行進一步的分析討論。斷口分析3.3斷口分析的任務與方法

斷口分析斷口處理及斷口分析的任務斷口的宏觀分析斷口的微觀分析斷口處理

3.3.1斷口處理及斷口分析的任務

斷口分析，是用肉眼、低倍放大鏡、實體顯微鏡、電子顯微鏡、電子探針、俄歇電子能譜、離子探針質(zhì)譜等儀器設備，對斷口表面進行觀察及分析，以便找出斷裂的形貌特征、成分特點及相結構等與致斷因素的內(nèi)在聯(lián)系。

斷口分析包括宏觀分析和微觀分析兩個方面。宏觀分析主要用于分析斷口形貌。微觀分析，既包括微觀形貌分析又包括斷口產(chǎn)物分析（如產(chǎn)物的化學成分、相結構及其分布等）。在對斷口進行分析以前必須妥善地保護好斷口并進行必要的處理。3.3斷口分析的任務與方法斷口處理1斷口的處理（2）對于斷后被油污染的斷口，要進行仔細清洗。（3）在潮濕大氣中銹蝕的斷口。（4）在腐蝕環(huán)境中斷裂的斷口，在斷口表面通常覆蓋一層腐蝕產(chǎn)物，這層腐蝕產(chǎn)物對分析致斷原因往往非常重要。腐蝕產(chǎn)物的去除方法有化學法、電化學法及干剝法等。（1）在干燥大氣中斷裂的新鮮斷口防止銹蝕，防止手指污染斷口及損傷斷口表面；3.3斷口分析的任務與方法斷口處理1斷口的處理

化學法常用的溶液為：

20％NaOH水溶液加200克／升鋅粉。在此溶液中將斷口煮沸5分鐘，清理吹干即可。

電化學法（陰極還原法）用于那些使用上述方法難以清除的氧化物。

①電介質(zhì)為50％硫酸水溶液加2克／升緩蝕劑（若?。ｊ枠O為石墨或鉛，陰極為斷口試樣，75

C、3分鐘，陰極電流密度約20A

dm-2。3.3斷口分析的任務與方法斷口處理1斷口的處理

②電解溶液為40%NaOH+60%Na2CO3（加熱至550

C），斷口樣品為陰極，容器為陽極，電流密度40A

dm-2，時間5～10s，隨后入冷水激冷。為加速清洗，最后再轉入到50～70

C的10%檸檬酸銨水溶液中浸泡1～2min，并同時用毛刷刷試。3.3斷口分析的任務與方法斷口處理1斷口的處理

干剝法是利用復型技術將表面產(chǎn)物去掉，因不影響斷口形貌，故較優(yōu)越。特別是對于硫化氣氛或氧化氣氛中斷裂的斷面分析時，因腐蝕產(chǎn)物通常是致密的FeS及FeO，效果更佳。復型技術尚可用來長期保存斷口。

干剝法通常采用醋酸纖維紙（又稱AC紙，是由7％的醋酸纖維素丙酮溶液制成的均勻薄膜）復型技術進行清理。3.3斷口分析的任務與方法斷口分析2.斷口分析的任務（l）確定斷裂的宏觀性質(zhì)塑性斷裂/脆性斷裂/疲勞斷裂等。（2）確定斷口的宏觀形貌

纖維狀斷口/結晶狀斷口；有無放射線花樣及有無剪切唇等；（3）查找裂紋源區(qū)的位置及數(shù)量

裂紋源區(qū)的所在位置是在表面、次表面還是在內(nèi)部，裂紋源區(qū)的數(shù)目，在存在多個裂紋源區(qū)的情況下，它們產(chǎn)生的先后順序是怎樣的等；3.3斷口分析的任務與方法斷口分析2.斷口分析的任務

（4）確定斷口的形成過程。

裂紋是從何處產(chǎn)生的，裂紋向何處擴展，擴展的速度如何等；（5）確定斷裂的微觀機制。

解理型/準解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；（6）確定斷口表面產(chǎn)物的性質(zhì)。

斷口上有無腐蝕產(chǎn)物或其他產(chǎn)物，何種產(chǎn)物，該產(chǎn)物是否參與了斷裂過程等。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析

3.3.2斷口的宏觀分析方法3.3斷口分析的任務與方法產(chǎn)品檢驗生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢驗：利用斷口來檢查鑄鐵件的白口情況，用于確定鑄件的澆注工藝；用斷口法檢查滲碳件滲層的厚度，以便確定滲碳件的出爐時間；用斷口法檢查高頻淬火件的淬硬層厚度，以便確定合理的感應器設計及淬火工藝；用斷口法確定高速鋼的淬火質(zhì)量；用斷口法檢查鑄錠及鑄件的冶金質(zhì)量（如有無疏松、來雜、氣孔、折迭、分層、白點及氧化膜等）。

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析

斷口的宏觀分析，能夠了解斷裂的全過程，因而有助于確定斷裂過程和構件幾何結構間的關系，并有助于確定斷裂過程和斷裂應力（正應力及切應力）間的關系。斷口的宏觀分析，可以直接確定斷裂的宏觀表現(xiàn)及其性質(zhì)，即宏觀脆斷還是韌斷，并可確定斷裂源區(qū)的位置、數(shù)量及裂紋擴展方向等。斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎查找斷裂源區(qū)是宏觀分析的最重要環(huán)節(jié)3.3斷口分析的任務與方法最初件判斷1.最初斷裂件的判斷

（1）整機殘骸的失效分析

整機殘骸的分析通常稱為殘骸的順序分析。即根據(jù)殘骸上的碰傷、劃痕及其破壞特征分析整機破壞的先后順序，由大部件到小部件，再到單個零件，進而對最初斷裂件的斷口作具體分析。3.3斷口分析的任務與方法最初件判斷1.最初斷裂件的判斷

（2）多個同類零件損壞的失效分析

一組同類零件的幾個或全部發(fā)生損壞時，要判明事故原因需確定哪一個件先壞，這類分析也應采用順序分析法。在對多個同類零件的損壞情況下，要根據(jù)損壞件的變形及損傷的嚴重程度來確定最初破斷件。3.3斷口分析的任務與方法最初件判斷1.最初斷裂件的判斷

（3）同一個零件上相同部位的多處發(fā)生破斷

在同一個零件上，在其幾何結構及受力情況完全相同的幾個部位均出現(xiàn)損壞的情況。必須首先搞清楚是哪個部位首先損壞。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析31哥倫比亞號爆炸哥倫比亞號分析現(xiàn)場3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析31哥倫比亞號發(fā)射愉快的太空生活泰坦尼克號殘片3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析353.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析2.主斷面（主裂紋）的宏觀判斷

最初斷裂件找到后，緊接著的任務就是確定該斷裂件的主斷面或主裂紋。所謂主斷面就是最先開裂的斷裂面。

主斷面上的變形程度、形貌特點，特別是斷裂源區(qū)的分析，是整個斷裂失效分析中最重要的環(huán)節(jié)。

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析33（1）利用碎片拼湊法確定主斷面

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析34（2）按照“T”型匯合法確定主斷面或主裂紋

（3）按照裂紋的河流花樣確定主裂紋

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析353.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

3.斷裂（裂紋）源區(qū)的宏觀判斷主斷面（主裂紋）確定后，斷裂分析的進一步工作是尋找裂紋源區(qū)。裂紋源區(qū)是斷裂破壞的宏觀開始部位。尋找裂紋源區(qū)不僅是斷裂宏觀分析中最核心的任務，而且是光學顯微分析和電子顯微分析的基礎。斷口分析的核心任務3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35（1）利用斷口上的“三要素”特征確定裂紋源區(qū)

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析3538（2）利用斷口上的“人”字紋特征確定裂紋源區(qū)

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析3539（3）根據(jù)斷口上的放射花樣確定裂紋源區(qū)

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35（4）根據(jù)斷口上的“貝紋”線確定裂紋源區(qū)

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析（7）斷口表面的損傷情況碰撞，摩擦等

35（8）斷口的邊緣情況剪切唇，毛刺等（5）將斷開的零件的兩部分相匹配，則裂縫的最寬處為裂紋源（6）根據(jù)斷口上的色彩程度確定裂紋源區(qū)

——氧化色（程度），銹蝕情況，油污等3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析353.3斷口分析的任務與方法宏觀分析354、宏觀斷口的表觀現(xiàn)象

與致斷原因初判

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（1）斷裂源區(qū)和零件幾何結構間的關系

斷裂源區(qū)可能發(fā)生在零件的表面、次表面或內(nèi)部。

對于塑性材料的光滑試件（零件），在單向拉伸狀態(tài)下，斷裂源在截面的中心部位屬于正常情況。

為防止零件出現(xiàn)此種斷裂，應提高材料的強度水平或加大零件的幾何尺寸。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（1）斷裂源區(qū)和零件幾何結構間的關系

表面硬化件發(fā)生斷裂時，斷裂源可能發(fā)生在次表層，為防止此類零件的斷裂，應加大硬化層的深度或提高零件的心部硬度。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（1）斷裂源區(qū)和零件幾何結構間的關系

除上述兩種情況外，斷裂源區(qū)一般發(fā)生在零件的表面。零件的尖角、凸臺、缺口、刮傷及較深的加工刀痕等應力集中處。為防止此類破壞顯然應從減小應力集中方面入手。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35（2）斷裂源區(qū)與零件最大應力截面位置的關系

斷裂源區(qū)的位置一般應與最大應力所在平面相對應。

如果不一致則表明零件的幾何結構存在某種缺陷或工作載荷發(fā)生了變化，但更為常見的情況是材料的組織狀態(tài)不正常（如材料的各向異性現(xiàn)象嚴重）或存在著較嚴重的缺陷（如鑄造缺陷、焊接裂紋、鍛造折迭）等情況。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析3536

例如，承受單向扭轉工作載荷的軸件，其斷口的宏觀形貌，按其與最大應力之關系可能有以下幾種情況：

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（a）斷口表面與最大正應力所在平面相對應，即斷口與軸線呈45

螺旋狀。此種類型的斷裂為宏觀脆性斷裂，通常是由材料的脆性過大或韌塑性不足引起的。通過改變零件的熱處理工藝，適當提高回火溫度則有助于減少零件的此類斷裂。

（b）斷口的表面與最大切應力所在平面相對應，即斷口平面與軸線垂直或平行。此種類型的斷裂為宏觀韌性的斷裂，通常是由材料的強度或硬度不足引起的。適當降低零件的回火溫度，則有助于零件使用性能的改善。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

上述兩種情況均表示材料的組織均勻性未出現(xiàn)太大問題。在此種情況下，如果調(diào)整熱處理工藝難以避免上述兩種斷裂，則應提高材料的強韌性級別或者適當加大零件的幾何尺寸。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（c）斷口表面與軸線的夾角遠小于45

，即斷口表面既不和最大正應力所在平面相對應也不和最大切應力所在平面相對應。換句話說，該斷裂面是在較小的應力條件下形成的。由此可以推知，材料的各向異性現(xiàn)象比較嚴重，橫向性能比較差。通常是由材料中的塑性夾雜物比較多及鍛造流線沿軸向分布顯著等因素引起的。

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（3）斷裂是從一個部位產(chǎn)生的還是從幾個部位產(chǎn)生的，是從局部部位產(chǎn)生的還是從很大范圍內(nèi)產(chǎn)生的

通常的情況是，應力數(shù)值較小或應力狀態(tài)較柔時易從一處產(chǎn)生，應力數(shù)值較大或應力狀態(tài)較硬時易從多處產(chǎn)生；由材料中的缺陷及局部應力集中引起的斷裂，裂紋多從局部產(chǎn)生；存在大尺寸的幾何結構缺陷引起的應力集中時，裂紋易從大范圍內(nèi)產(chǎn)生。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35承受旋轉彎曲的軸件可能產(chǎn)生以下幾種類型的斷裂：

（a）裂紋源于表面一處或兩處（基本對稱，但稍有偏轉）這是最為常見的斷裂形式。其產(chǎn)生原因是由于表面拉應力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在無明顯缺陷存在的情況下，正常的斷裂（由材料性質(zhì)及軸件的幾何尺寸和載荷性質(zhì)來決定）也呈此種斷裂形式；3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（b）裂紋源于次表面某處。次表面的拉應力小于表面，其所以成為起裂點，必然存在有較大的缺陷；

（c）裂紋源于整個表面向內(nèi)擴展導致的斷裂。其斷裂原因一般是由于軸件存在有變截面且其應力集中現(xiàn)象嚴重所致，如此處為直角過渡的情況。3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（4）斷口表面的粗糙度

斷口表面的粗糙度在很大程度上可以反映斷裂的微觀機制并有助于斷裂性質(zhì)及致斷原因的判斷。

如粗糙的纖維狀多為微孔聚集型的斷裂機制，且孔坑粗大，塑變現(xiàn)象嚴重；

瓷狀斷口多為準解理或脆性的微孔斷裂，塑變現(xiàn)象極小，孔坑小、淺、數(shù)量極多；粗、細晶粒狀為沿晶斷裂；鏡面反光現(xiàn)象明顯的結晶狀斷口為解理斷裂；表面較平整多為穿晶斷裂，凹凸不平多為沿晶斷裂等。

3.3斷口分析的任務與方法宏觀分析35

（5）斷口的邊緣情況

觀察斷口的邊緣有無臺階、毛刺、剪切唇和宏觀塑性變形等，將有助于分析