故障分析基礎(chǔ)

1、第2章 故障分析基礎(chǔ),2.1 金屬斷裂與斷口分析,2.1.1 基本概念2.1.2 韌性斷裂2.1.3 脆性斷裂2.1.4 疲勞斷裂2.1.5 環(huán)境致斷2.1.6 裂紋分析,2.1.1 基本概念,一、 術(shù)語 裂紋：金屬的局部破裂。實際零件難免存在極微小裂紋，但可能不擴展失效。 斷裂：裂紋萌生、擴展，造成材料斷開。各類失效中，斷裂失效最主要、危害最大 斷口：零件斷裂處現(xiàn)成的自然表面。 斷口分析：從材料的斷口形貌、顯微組織、微觀缺陷，研究斷裂行為，確定斷裂模式和原因,二、 金屬斷裂的基本類型 1按斷裂的宏觀塑性變形量分 韌性斷裂：斷裂前產(chǎn)生明顯的宏觀塑性變形。 脆性斷裂：斷裂前基本不產(chǎn)生宏觀塑性變形

2、，但可能存在微觀局部塑性變形。 2按裂紋擴展途徑分 沿晶斷裂：裂紋沿晶界擴展，多數(shù)為脆性斷裂。 穿晶斷裂：裂紋穿過晶體內(nèi)部擴展。 3按斷口取向分 正斷型：宏觀斷口與最大正應(yīng)力垂直。 切斷型：宏觀斷口與最大正應(yīng)力約成45角。 4按斷裂的微觀機理分 解理、準解理、滑移、韌窩、疲勞斷裂以及環(huán)境致斷,三、 宏觀斷口的基本組成與特征 1. 宏觀斷口的基本組成 宏觀斷口的三要素：纖維區(qū)F、放射區(qū)R、剪切唇S,纖維區(qū)(裂紋生核及緩慢生長區(qū)F)：自斷裂源至快速斷裂之前的區(qū)段。其宏觀平面與拉伸應(yīng)力軸垂直，呈粗糙的纖維狀。 放射區(qū)(裂紋快速擴展區(qū)R)：裂紋慢速擴展到臨界尺寸后，呈放射狀快速擴展，塑性變形量很小。其

3、特征是放射線花樣，放射線方向為裂紋擴展方向。 剪切唇(瞬時斷裂區(qū)S)：斷裂的最后階段，與拉伸應(yīng)力約成45角，為剪切斷口，表面較光滑,宏觀斷口在失效分析時可以提供裂紋的起源位置和裂紋擴展方向,2宏觀斷口要素的影響因素 對于不同的材料，不同的溫度和受力狀態(tài)，三個區(qū)域的位置、形狀、大小及分布有所不同，有時在斷口上也可能只出現(xiàn)一種或二種形貌特征,裂紋源：影響斷裂的起始位置和擴展路徑。裂紋源一般發(fā)生在應(yīng)力集中區(qū)。 截面形狀與尺寸：尺寸加大時，放射區(qū)加大，纖維區(qū)變化不大。如薄板拉伸斷口可能就只有剪切唇。 材料的強度和塑性：強度提高，塑性降低時，纖維區(qū)由大變小，放射區(qū)比例變大，放射線由粗變細，斷口顯得比較平

4、整。 溫度：溫度降低時，放射區(qū)比例變大,2.1.2 韌性斷裂,韌性斷裂是載荷超過材料區(qū)屈服極限后產(chǎn)生的斷裂，宏觀上為纖維狀，微觀特征表現(xiàn)為大量韌窩。 韌窩的形成：以拉伸試樣為例，中心區(qū)應(yīng)力最大，夾雜或第二相質(zhì)點脫離基體形成微孔，微孔之間的基體可看作一個小拉伸試樣，在力的作用下塑性變形，產(chǎn)生頸縮(內(nèi)頸縮)而斷裂，使微孔(聚合)相互連接形成裂紋,韌窩的大?。喊ㄆ骄睆胶蜕疃?。 影響韌窩大小的主要因素： 從材料方面講為第二相的大小、密度、基體的塑性變形能力、形變硬化指數(shù)等，從外界條件講與應(yīng)力大小和加載速率有關(guān)。 一般在斷裂條件相同時，韌窩尺寸越大，表示材料的塑性越好,2.1.3 脆性斷裂,一、 基

5、本特點 工作應(yīng)力低于材料的屈服強度，甚至低于許用應(yīng)力。 通常從材料缺陷處做為斷裂源，開始擴展。 宏觀斷口通常平齊而光亮，與正應(yīng)力垂直，斷面收縮率小于3。斷口常有放射花樣或人字紋。 對中低強度鋼，存在韌脆轉(zhuǎn)變溫度(10-15,二、 微觀機理 1解理斷裂 解理斷裂是金屬在正應(yīng)力作用下，由于原子結(jié)合鍵破壞而造成的沿一定的晶體學平面(即解理面)快速分離的過程。小刻面是解理斷裂斷口上明顯的宏觀特征，呈無規(guī)則取向，當斷口在強光下轉(zhuǎn)動時，可見到閃閃發(fā)光的特征,解理斷口的微觀特征主要是： 解理臺階：斷裂實際上并不是沿單一的晶面發(fā)生，而是在跨越若干個相互平行的位于不同高度上的解理面處發(fā)生，在交界處就會形成臺階。

6、 河流花樣：解理裂紋擴展過程中，同號臺階相互會合長大，異號臺階相互銷毀。當匯合臺階高度足夠人時，便可呈現(xiàn)河流花樣。小臺階就象支流到下游匯合成了干流，即大臺階。所以河流的流向指示了裂紋擴展的方向。河流花樣是判斷解理斷裂的重要依據(jù)。 舌狀花樣：解理裂紋沿孿晶界擴展時留下的舌頭狀凹坑或凸臺，在斷口副上“舌頭”是黑白對應(yīng)的,影響解理斷裂的因素： 外因：環(huán)境溫度、介質(zhì)、加載速度、應(yīng)力大小等。 內(nèi)因：材料的晶體結(jié)構(gòu)、顯微組織。 一般來講： 溫度低、加載速度快易產(chǎn)生解理斷裂； 體心立方、密排立方結(jié)構(gòu)可能產(chǎn)生解理斷裂。 當氫在-Fe的解理面處集聚時，會產(chǎn)生氫致解理斷裂,2準解理斷裂 在許多淬火回火鋼中，有許多

7、彌散細小的碳化物質(zhì)點，此時裂紋不再與晶體位向有關(guān)，而主要與細小的碳化物質(zhì)點有關(guān)，其微觀特征與解理斷裂相似，但并非真正的解理斷裂,準解理的形成過程： 首先在許多質(zhì)點部位同時產(chǎn)生許多解理裂紋核，然后按解理方式擴展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，與相鄰的解理小刻面相連，形成撕裂嶺。 準解理斷裂是解理斷裂的變種,3. 沿晶斷裂 沿晶斷裂又稱晶間斷裂，它是多晶體沿不同取向晶粒間晶界分離的現(xiàn)象，當晶界強度因偏析或夾雜物作用而低于晶內(nèi)強度時容易產(chǎn)生。 一般的沿晶斷裂斷口微觀特征是“冰糖狀”，沿晶分離面平滑、干凈，無微觀塑性變形特征，可以清楚地辨認一顆顆象冰糖樣的晶粒,2.1.4 疲勞斷裂,疲勞斷裂是在交變

8、應(yīng)力持續(xù)作用下發(fā)生的斷裂。交變應(yīng)力是指應(yīng)力的大小、方向或大小和方向同時都隨時間作周期性改變的應(yīng)力，各種發(fā)動機曲軸、主軸、齒輪、彈簧、渦輪機葉片、鋼軌、飛機螺旋漿及各種滾動軸承等都是承受交變應(yīng)力。 疲勞斷裂在工程斷裂中所占的比例最大，且斷裂前無顯著變形，表現(xiàn)為突然破壞，因此危害性嚴重,一、 疲勞斷裂的基本類型 1按產(chǎn)生原因分： 機械疲勞：按加載方式可細分為拉壓疲勞、彎曲疲勞、扭轉(zhuǎn)疲勞 熱疲勞：溫度反復變化引起熱應(yīng)力反復變化，產(chǎn)生熱疲勞。 腐蝕疲勞：在循環(huán)應(yīng)力和腐蝕介質(zhì)共同作用下產(chǎn)生的失效,S-N曲線,2按疲勞壽命分： 高周疲勞：應(yīng)力較低，應(yīng)力循環(huán)周次很多(107次) 低周疲勞：應(yīng)力較高(接近或高

9、于材料的屈服強度)，應(yīng)力循環(huán)周次較少(102一103次) 在不特別指明的情況下，都是指高周疲勞,二、 疲勞斷口的宏觀形貌特征 宏觀斷口無明顯變形，表現(xiàn)為脆性斷口。 疲勞斷口一般有三個區(qū)：疲勞源區(qū)、疲勞擴展區(qū)和瞬斷區(qū),1）疲勞源： 一般在材料有缺陷的地方。 疲勞源可能有多個。經(jīng)反復擠壓摩擦而比較光亮,2) 裂紋擴展區(qū)： 是疲勞裂紋亞臨界擴展部分，其典型特征是貝殼花樣(貝紋線、疲勞線)。 貝紋線是以疲勞源為中心的近于平行的一簇同心圓，并與裂紋局部擴展方向相垂直。 貝紋線是由于載荷大小或應(yīng)力狀態(tài)變化、頻率變化或機器運行中途停車啟動等原因，裂紋擴展產(chǎn)生相應(yīng)的微小變化而造成的。 靠近裂紋源處，貝紋線較密

10、集，可根據(jù)貝紋線的密集程度判斷裂紋源產(chǎn)生的先后順序。 韌性好的材料，貝紋線較小的間距較小,疲勞裂紋的擴展規(guī)律： Paris公式,3）瞬時斷裂區(qū)： 疲勞裂紋快速擴展直至斷裂的區(qū)域。斷口粗糙?？拷行臑槠矫鎽?yīng)變狀態(tài)的平斷口，邊緣區(qū)為剪切唇,三、 疲勞斷口的微觀形貌特征 疲勞裂紋擴展可分為兩個階段： 第一階段是由疲勞源開始，與主應(yīng)力成45方向擴展，擴展速度很慢，擴展量很小。第一階段裂紋逐漸改變方向，轉(zhuǎn)到與主應(yīng)力相垂直的方向，進入第二階段。在此階段，裂紋擴展是穿晶的，按解理斷裂方式擴展，擴展速度較快，其微觀特征是疲勞條帶(疲勞輝紋,疲勞條帶與裂紋擴展方向垂直，是一系列基本上相互平行的條紋，稍微凹向疲勞

11、源，呈波浪形。每一條帶代表一次或若干次載荷循環(huán)，在兩條宏觀疲勞貝紋之間可見許多條微觀條帶,Cr12Ni2WMoV鋼疲勞斷口微觀照片,四、影響疲勞強度的主要因素 應(yīng)力集中：構(gòu)件截面尺寸突變處（如切槽、圓孔、尖角等）存在應(yīng)力集中, 應(yīng)力集中促使裂紋形成與擴展，降低疲勞強度。 構(gòu)件尺寸：在最大正應(yīng)力相同的條件下，大試件處于高應(yīng)力區(qū)的材料多于小試件。這樣，大試件出現(xiàn)裂紋的可能性要大于小試件，疲勞強度就要低于小試件。 表面加工質(zhì)量：機械加工會給構(gòu)件表面留下刀痕、擦傷等各種缺陷會造成應(yīng)力集中，降低疲勞壽命；對構(gòu)件作滲氮、滲碳、淬火等表面處理，能提高表面層材料的強度，提高疲勞強度。 其它因素的影響：溫度、腐

12、蝕性、荷載頻率等因素均對疲勞強度有影響。其影響程度可通過疲勞試驗用相應(yīng)的影響系數(shù)表示,2.1.5 環(huán)境致斷,一、 應(yīng)力腐蝕斷裂 應(yīng)力腐蝕斷裂是合金材料在持久拉應(yīng)力和特定的腐蝕環(huán)境共同作用下所導致的脆性斷裂，斷裂前沒有預兆，不易預防，危害性極大,1應(yīng)力腐蝕斷裂的特點和影響因素,應(yīng)力腐蝕所需的應(yīng)力一般是拉應(yīng)力，該應(yīng)力可以很小，在不同介質(zhì)中可以有不同的值。能導致金屬產(chǎn)生應(yīng)力腐蝕的最小應(yīng)力稱為應(yīng)力腐蝕開裂的臨界應(yīng)力。 純金屬不發(fā)生應(yīng)力腐蝕，但幾乎所有的合金在特定的腐蝕環(huán)境中都會引起應(yīng)力腐蝕裂紋,2應(yīng)力腐蝕斷裂的斷口特征 應(yīng)力腐蝕斷裂起源于表面，且為多源，起源處表面一般存在腐蝕坑，且存在腐蝕產(chǎn)物。 應(yīng)力

13、腐蝕斷口的微觀形態(tài)可以是解理或準解理，沿晶斷裂或混合型斷口。應(yīng)力腐蝕裂紋擴展過程中會發(fā)生裂紋分叉現(xiàn)象，產(chǎn)生二次裂紋，呈現(xiàn)河流、扇形、魚骨、羽毛等花樣,二、 氫脆 氫脆是在金屬中存在的過量氫和應(yīng)力共同作用下產(chǎn)生的脆性斷裂。氫可通過不同的機制使金屬脆化,下面介紹幾種常見的氫脆現(xiàn)象及其特征。 1氫蝕： 碳鋼在300-500工作時，氫與鋼中的碳化物作用形成CH4氣體，使晶界結(jié)合力減弱而脆化。 其宏觀斷口呈氧化色，顆粒狀；從微觀斷口看，晶界明顯加寬，呈沿晶斷裂,2白點(發(fā)紋)： 鑄鍛過程中，若鋼中過飽和的氫原子未能及時擴散外逸，在某些缺陷處聚集形成氫分子，產(chǎn)生高壓，把材料撕裂，而使鋼中形成白點，實際上就

14、是微裂紋。 其斷口宏觀上呈現(xiàn)為典型的脆性斷裂特征，斷口比較光滑平齊，具有放射狀線或顆粒狀特性，斷口可觀察到“白點”或細小的裂紋(發(fā)紋,3氫致延遲斷裂 金屬材料在加工、制造及使用環(huán)境下很容易受到氫的滲入，而且隨后在應(yīng)力作用下，會向應(yīng)力高的部位擴散聚集，當聚集的氫含量達到一定的臨界濃度時，使金屬原子間結(jié)合力下降而導致斷裂。 由于氫的擴散聚集需要一定的時間，所以斷裂的發(fā)生是在加載后的某個時間，故稱之為氫致延遲斷裂。 氫致延遲斷裂的宏觀斷口與一般脆性斷裂相似。微觀上常見為沿晶斷裂，且晶界上常有許多撕裂棱,三、 蠕變斷裂 蠕變是金屬長時間在一定的溫度、一定的應(yīng)力(可低于屈服強度)作用下發(fā)生的緩慢而持久的

15、塑性變形現(xiàn)象，當塑性變形超過允許值時，產(chǎn)生畸變失效，進一步發(fā)展可導致斷裂,蠕變斷裂的宏觀斷口特征: 1) 斷口附近產(chǎn)生大量塑性變形，在變形區(qū)附近有很多裂紋，使斷裂機件表面呈龜裂現(xiàn)象； 2)由于高溫氧化，斷口表面往往被一層氧化膜覆蓋。 蠕變斷裂的微觀斷口: 大多呈現(xiàn)為沿晶斷裂,蠕變曲線,裂紋分析包括觀察裂紋的起源與走向，并探討其與周圍組織結(jié)構(gòu)的關(guān)系。 裂紋的起源位置及走向取決于兩方面因素的綜合作用，即應(yīng)力集中的大小及材料強度值的高低。 應(yīng)力原則：構(gòu)件的形狀和材料性質(zhì)急劇改變的地方，會產(chǎn)生局部的高應(yīng)力集中，當這種應(yīng)力集中大于材料的強度極限時，就會引發(fā)裂紋。裂紋的擴展方向一般都垂直于主拉伸應(yīng)力的方向

16、。 強度原則：裂紋總是沿著最小阻力路線即材料的薄弱環(huán)節(jié)處擴展。有時按應(yīng)力原則擴展的裂紋，途中突然發(fā)生轉(zhuǎn)折，顯然這種轉(zhuǎn)折的原因是由于材料內(nèi)部的缺陷,2.1.6 裂紋分析,例：16V240ZJ柴油機曲軸斷裂分析,多斷在連桿頸上，成45,一、 概念 磨損：是摩擦表面上材料不斷消耗的過程，表現(xiàn)為零件的尺寸和形狀的改變。磨損也可能導致斷裂。 磨損量：通常指沿摩擦表面垂直方向測量的表面尺寸(可以是長度、體積或質(zhì)量)變化量。 磨損率：磨損量與磨損時間之比。 磨損度：磨損量與產(chǎn)生該磨損量的摩擦路程或所作的功之比。 耐磨性：用磨阻表示，它是磨損度的倒數(shù)。 磨損失效：使用壽命期間，零件表面磨損量超過允許值，則造成

17、失效,2.2 磨損,二、 磨損失效的類型與特征 1粘著磨損： 是在外力作用下，摩擦接觸的表面間材料原子鍵的形成(顯微熔接)和分離過程，使材料從一個表面轉(zhuǎn)移到另一表面,粘著磨損使摩擦副表面的幾何形狀發(fā)生變化，從光學顯微鏡下可以看到表面擦傷、劃傷、材料轉(zhuǎn)移、咬死、焊點等磨損形態(tài)。 粘著磨損嚴重時，機械系統(tǒng)中運動零件的“咬死”將導致災(zāi)難性失效，如軸承抱死、劇烈磨損等,2磨粒磨損： 也稱為磨料磨損或研磨磨損，它是當摩擦副一方的硬度比另一方硬度大很多時，或者在接觸面之間存在著硬質(zhì)粒子時，所產(chǎn)生的一種磨損,磨料磨損主要發(fā)生在采礦、物料運輸、農(nóng)機或工程機械作業(yè)和原材料加工處理過程中。若沙粒或塵粒進入零件副的

18、滑動面或滾動面上，也會發(fā)生嚴重的磨料磨損，如開式齒輪傳動等。若磨屑不能從它形成的地方被潤滑油帶走并過濾掉，也會導致磨料磨損。 在形貌圖上判斷磨料磨損的主要依據(jù)是劃痕，在這些劃痕中往往還有微切削痕跡存在；一些脆性材料上還會出現(xiàn)崩碎、顆粒,3疲勞磨損： 也稱表面疲勞磨損或接觸疲勞磨損，是由于摩擦副表面微凸體之間的反復作用(如滾動、或滾動滑動復合摩擦)，使得材料局部區(qū)域受循環(huán)接觸應(yīng)力和重復變形，導致裂紋的形成和擴展，產(chǎn)生金屬微片或顆粒的脫落,很多磨損過程中都伴隨有疲勞磨損(如齒輪、凸輪、火車輪箍、鐵軌等)。疲勞磨損的宏觀特征是接觸表面出現(xiàn)許多麻點和凹坑。有時凹坑很深，呈貝殼狀，有疲勞裂紋發(fā)展線的痕跡

19、。用掃描電子顯微鏡有時還可以觀察裂紋呈間斷式生長。 根據(jù)裂紋起始位置和形態(tài)不同，疲勞磨損可分為疲勞點蝕(麻點剝落)、淺層剝落和深層剝落(表面壓碎,4腐蝕磨損： 腐蝕磨損是由于摩擦表面與環(huán)境介質(zhì)發(fā)生化學或電化學反應(yīng)，形成腐蝕產(chǎn)物，腐蝕產(chǎn)物剝落引起腐蝕磨損。腐蝕磨損常與機械磨損共存。 腐蝕磨損通常是一種輕微磨損，但在一定條件下也可能轉(zhuǎn)變?yōu)閲乐啬p,若腐蝕產(chǎn)物是氧化膜，則稱為氧化磨損。氧化磨損在各類機械中普遍存在，是生產(chǎn)中允許存在的一種磨損形式，其磨損速率最小。 一般情況下氧化膜能使金屬表面免于粘著，氧化磨損一般要比粘著磨損緩慢，因而可以說氧化磨損能起到保護摩擦副的作用。 氧化磨損的宏觀特征是：在摩

20、擦表面上沿滑動方向呈勻細磨痕，其磨損產(chǎn)物或為紅褐色Fe2O3，或為灰黑色Fe3O4,以上為磨損的四種基本類型，另外還有幾種特例。 5. 沖蝕磨損： 沖蝕磨損是由于夾帶粒子的流體(常為液體)沖蝕造成表面材料損失的特殊磨粒磨損。如帶硬粒氣流對風機葉片的沖擊。 6氣蝕磨損： 氣蝕磨損是零件受液體中不斷形成與潰滅的氣泡在瞬間產(chǎn)生的極大沖擊力以及高溫的反復作用下，工作表面材料的特殊疲勞點蝕。 氣蝕零件的表面材料受疲勞而逐漸脫落后，呈現(xiàn)麻點蝕坑，隨后擴展而呈泡沫海綿狀。 7微動磨損： 在機器零件嵌合部位，接觸表面之間雖然沒有宏觀位移，但在外部變動載荷和振動影響下，卻產(chǎn)生小振幅的相對振動或往復運動(稱為微動

21、)。其特征是接觸區(qū)有大量紅褐色Fe2O3磨損粉末，還常見到因接觸疲勞破壞而形成的麻點或凹坑,三、 磨損失效的分析 磨損失效的一般分析步驟如下： 1) 現(xiàn)場調(diào)查，初步確定磨損類型 2) 確定磨損表面的磨損量曲線。這可與表面的原始狀態(tài)比較而定。 3) 查明摩擦副相對運動的情況 4) 確定磨損速率和摩擦系數(shù) 5) 查明摩擦副潤滑條件 6) 確定磨損是否處于允許的范圍,2.3 腐蝕,一、 概念 腐蝕是材料暴露在活性環(huán)境中而發(fā)生的表面損耗現(xiàn)象，是金屬與環(huán)境之間產(chǎn)生化學、電化學作用的結(jié)果。 化學腐蝕是在表面與介質(zhì)發(fā)生化學反應(yīng)，沒有電流產(chǎn)生，只發(fā)生在干燥氣體中或不導電的溶液中。 電化學腐蝕的特點是在腐蝕過程

22、中有電流產(chǎn)生,電化學腐蝕原理為： 將一塊理想的金屬放入電解質(zhì)中，就會產(chǎn)生電極電位，它與材料釋放電子的能力有關(guān)。一般把氫電極作為標準參考電極，并將其電位選為零，如果金屬給出電子的化學傾向大于氫，則此金屬的電極電位為負，反之為正。電極電位越負越易給出電子。 一些金屬的電極電位排序由負到正為： K、Ca、Na、Mg、AI、Mn、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au,金屬零件發(fā)生電化學腐蝕的基本條件是： 零件是由二種不同金屬組成，或使用的合金中不同區(qū)域或不同相的電極電位不同； 不同電極電位的部分彼此是非絕緣的，可以有電子的流動； 有電解質(zhì)存在,二、 腐蝕的類型和特征 按腐蝕環(huán)境分： 1大氣腐蝕： 大氣腐蝕的損耗幾乎占整個金屬腐蝕損耗的一半。大氣中的水汽或CO2、SO2、NO2及鹽類溶解到金屬表面的水膜中去而形成電解液膜。被腐蝕金屬引起陽極反應(yīng)，如Fe =Fe2+ + 2e，而陰極反應(yīng)主要是