金屬材料檢測工作技術(shù)應(yīng)用

1、金屬材料檢測工作技術(shù)應(yīng)用四、斷口的典型顯微形貌特征舉例四、斷口的典型顯微形貌特征舉例1韌窩斷口實(shí)例（1）等軸韌窩實(shí)例 等軸韌窩也可稱之為正交韌窩，它是在正交條件下斷裂所產(chǎn)生的韌窩。形成等軸韌窩的原因是由于應(yīng)力垂直于斷裂表面。并且應(yīng)力在整個斷口表面上的分布是均勻的，而裂紋擴(kuò)展速度是較緩慢的。因此垂直于應(yīng)力平面上，顯微空洞在各個方向上的長大速率是相等的，故形成圓形等軸韌窩。 圖3-40是50碳鋼斷口上的等軸韌窩形貌特征的電子圖像。 （2）拋物線韌窩實(shí)例 圖3-41是高溫合金斷口上拋物線韌窩的電子圖像。當(dāng)金屬材料中的裂紋在平面應(yīng)變條件下進(jìn)行擴(kuò)展時，其斷口的顯微形貌特征亦可形成拋物線狀韌窩。剪切韌窩也

2、是拋物線狀的韌窩，兩者的韌窩形態(tài)基本相同，所不同的是匹配斷口的拋物線韌窩的方向不一樣。若兩個成匹配斷口的拋物線韌窩方向相同時為撕裂韌窩；則相反時為剪切韌窩。 圖3-42是表示PCrNi3Mo鋼在熱處理過程中過熱所產(chǎn)生的沿晶韌窩的電子圖像。從圖中可看出韌窩大而淺。在大韌窩周圍包圍著非常小的韌窩群。 （3）沿晶韌窩實(shí)例2解理斷口實(shí)例 30CrMriSiA鋼的解理斷口顯微形貌特征的電子圖像如圖3-43所示，其中R表示河流花樣，T表示舌狀花樣，箭頭所指示的方向是表示解理裂紋局部擴(kuò)展方向。 3疲勞斷口實(shí)例 圖3-44是表示LC-4鋁合金飛機(jī)翼梁的疲勞斷口的電子圖像，其上具有明顯的疲勞輝紋及疲勞臺階等形貌

3、特征，細(xì)小的彎曲條紋為疲勞輝紋；黑色穿越圖面的條紋為疲勞臺階；箭頭所指示的方向?yàn)槠诹鸭y局部擴(kuò)展方向。 圖3-45是表示2Cr13鋼疲勞斷口的電子圖像，其上具有輪胎壓痕花樣，間隔逐漸增大的方向?yàn)槠诹鸭y局部擴(kuò)展方向。4環(huán)境介質(zhì)斷裂實(shí)例 圖3-46是表示34CrNi3Mo鋼電站葉輪應(yīng)力腐蝕斷裂的電子圖像，其中呈現(xiàn)沿晶脆性斷裂形貌特征。另外，可觀察到具有明顯的腐蝕或氧化的痕跡。 圖3-47是表示1Cr13鋼的化工容器中的節(jié)流閥閥頭斷口的電子圖像，其上具有沿晶氫脆斷裂形貌特征，并且具有明顯的發(fā)紋形貌特征。模塊五模塊五 失效分析失效分析 為提高機(jī)械產(chǎn)品的質(zhì)量與安全可靠性，人們作了長期不懈的努力，但是機(jī)

4、械產(chǎn)品在使用過程中仍常常發(fā)生斷裂、變形、磨損及腐蝕等失效現(xiàn)象。為了防止或延緩這些失效現(xiàn)象的發(fā)生，找出失效原因和提出改進(jìn)措施，必須開展失效分析的研究。一、失效一、失效1失效的基本概念 機(jī)械裝備失效是指機(jī)械或構(gòu)件在使用過程中（或者是在使用前的試驗(yàn)過程中），由于尺寸、形狀、材料的性能或組織發(fā)生變化而引起的使其不能完好地完成指定的功能或者喪失了原設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象。 常見的機(jī)械裝備失效形式可分為：變形失效（彈性、塑性變形失效）、破斷或斷裂失效、表面損傷失效（腐蝕、磨損）和材料性能變化引起的失效（冶金的、化學(xué)的、核輻射的）。 機(jī)械或機(jī)械零部件的失效通常是由物體內(nèi)部缺陷引起的失效和物體表面缺陷引起的失效。2失

5、效的類型 失效分類比較復(fù)雜，在這里不可能一一作介紹，本書按失效機(jī)理將失效分為；斷裂失效、變形失效、磨損失效及腐蝕失效等四種主要類型。（1）斷裂失效（其中包括破斷失效） 斷裂是指金屬、或合金材料、或機(jī)械產(chǎn)品的一個具有有限面積的幾何表面的分離過程。它是個動態(tài)的變化過程。包括裂紋的萌生及擴(kuò)展。 斷裂失效是指機(jī)械構(gòu)件由于斷裂而引起的機(jī)械設(shè)備不能完好地完成原設(shè)計(jì)所指定的功能。 斷裂失效類型有：解理斷裂失效、韌窩破斷失效、準(zhǔn)解理斷裂失效、滑移分離失效、疲勞斷裂失效、蠕變斷裂失效、應(yīng)力腐蝕斷裂失效、液態(tài)或固態(tài)金屬脆性斷裂失效、氫脆斷裂失效、沿晶斷裂失效及其他斷裂失效等。 機(jī)械產(chǎn)品在運(yùn)行過程中常常發(fā)生斷裂失效

6、現(xiàn)象，從而造成不同程度的損失。尤其是突然斷裂失效，如低應(yīng)力脆性斷裂失效、疲勞斷裂失效、應(yīng)力腐蝕斷裂失效等造成的損失就更大。因此人們對斷裂失效現(xiàn)象比較重視。長期以來，在斷裂失效方面做了大量的工作，國內(nèi)外均有專著及論文報(bào)道。 在斷裂失效中，疲勞斷裂失效居首位，占失效實(shí)例總數(shù)的60%70%左右；環(huán)境斷裂失效居第二位，占失效實(shí)例總數(shù)的20%30%左右；由其他原因引起的斷裂失效約占失效實(shí)例總數(shù)的10%左右。（2）變形失效 所謂變形通常是指機(jī)械構(gòu)件在外力作用下，其形狀和尺寸發(fā)生變化的現(xiàn)象。從微觀上是指金屬材料在外力作用下。其晶格產(chǎn)生畸變。若外力消除，晶格畸變亦消除的變形為彈性變形；若外力消除，晶格不能恢復(fù)

7、原樣（即畸變不能消除）的變形為塑性變形。 變形失效是指機(jī)械構(gòu)件在使用過程中產(chǎn)生過量變形，即不能滿足原設(shè)計(jì)要求時的變形量。一般情況下將變形失效分為彈性變形失效和塑性變形失效兩種；彈性變形失效時機(jī)械構(gòu)件表面不留任何損傷痕跡，有時與金屬材料的彈性模量發(fā)生變化有關(guān)；塑性變形失效(包括過載，超溫、蠕變及亞穩(wěn)相的相變等引起)將導(dǎo)致機(jī)械構(gòu)件表面損傷，其機(jī)械構(gòu)件的形狀與尺寸均發(fā)生變化。（3）磨損失效 磨損是指摩擦副間的接觸表面由于發(fā)生相對運(yùn)動，在接觸應(yīng)力作用下，表面發(fā)生損傷導(dǎo)致材料流失的過程。在微觀范圍內(nèi)，金屬表面是不存在完全光滑平面的，它們總是粗糙的。當(dāng)兩個金屬表面在很小的壓力作用下使兩面直接接觸時，面與面

8、之間只有少數(shù)的凸出質(zhì)點(diǎn)或線接觸。在發(fā)生相對運(yùn)動時，一個面上的凸出質(zhì)點(diǎn)首先要碰到另一個面上的凸出質(zhì)點(diǎn)，這時容易變形的部分會沿著運(yùn)動方向變形或擠出。 磨損失效是指由于磨損現(xiàn)象的發(fā)生使機(jī)械零部件不能達(dá)到原設(shè)計(jì)功效，即不能達(dá)到原設(shè)計(jì)水平。 磨損失效的類型有：粘著磨損失效、磨粒磨損失效、腐蝕磨損失效、變形磨損失效、表面疲勞磨損失效、沖擊磨損失效及微振磨損失效等。（4）腐蝕失效 腐蝕是指金屬或合金材料表面因發(fā)生化學(xué)或電化學(xué)反應(yīng)而引起的損傷現(xiàn)象。金屬腐蝕雖然在酸洗、化學(xué)電源、電解加工及金相侵蝕等方面起著有益作用，但同時在國民經(jīng)濟(jì)中所造成的損失也是相當(dāng)嚴(yán)重的。然而，就其總的功過而論卻是破壞性的。 由于腐蝕作用

9、使機(jī)械構(gòu)件喪失原設(shè)計(jì)功能的現(xiàn)象稱為腐蝕失效。 腐蝕失效的類型有：直接化學(xué)腐蝕失效、電化學(xué)腐蝕失效、點(diǎn)（小孔）腐蝕失效、局部腐蝕失效、沿晶腐蝕失效、選擇性腐蝕失效、縫隙腐蝕失效、生物腐蝕失效、磨損腐蝕失效、氫損傷失效、應(yīng)力腐蝕失效及微振腐蝕失效等。3失效分析內(nèi)容 失效分析是指分析研究機(jī)械構(gòu)件的斷裂、變形、磨損和腐蝕等失效過程中的特征或規(guī)律，并從中找出失效的原因及預(yù)防措施的一門新的分析技術(shù)，稱為“失效分析”或“失效分析學(xué)”，還有人稱之為“事故分析”或“故障分析”等。 二、失效分析的目的二、失效分析的目的1防止同類失效現(xiàn)象重復(fù)發(fā)生 通過對失效機(jī)械產(chǎn)品的分析研究，可以測定機(jī)械產(chǎn)品的失效原因及其影響因素

10、，并且根據(jù)這些測定結(jié)果制定改進(jìn)措施，以防同類失效現(xiàn)象的重復(fù)發(fā)生。 例如，通過對汽輪機(jī)第一級葉片斷裂失效分析，可確定動葉片斷裂是由于共振現(xiàn)象所引起的，所以要改進(jìn)葉片的激振頻率，使之不落入葉片的自振頻率范圍之內(nèi)。這樣改進(jìn)后的動葉片就不會發(fā)生由共振所引起的斷裂失效，確保汽輪機(jī)組的安全運(yùn)行。2失效分析是改進(jìn)機(jī)械產(chǎn)品設(shè)計(jì)及制造工藝的依據(jù) 失效分析在整個機(jī)械產(chǎn)品生產(chǎn)過程中占有重要地位，尤其是機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)、制造、加工、選材、裝配及使用條件等的確定均可從失效分析中得到依據(jù)。 有關(guān)失效分析與機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)及制造等因素的關(guān)系如圖3-48所示。3消除隱患，確保機(jī)械產(chǎn)品安全可靠 失效分析可以及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品的缺陷，并且

11、將隱患消除在事故的蔭生階段。特別是利用“故障樹”預(yù)測系統(tǒng)的安全性和可靠性更為有利?！肮收蠘洹笔鞘Х治鲋械囊环N方法，它主要由各種可能引起系統(tǒng)失效的事故和連接這些事故的邏輯門所組成，并顯示出它們之間的相互關(guān)系。4失效分析可以提高機(jī)械產(chǎn)品的信譽(yù) 機(jī)械產(chǎn)品的信譽(yù)主要是由產(chǎn)品的質(zhì)量、壽命及可靠性等指標(biāo)來保證，同時也要求產(chǎn)品價廉物美，經(jīng)久耐用。因此要提高產(chǎn)品的信譽(yù)必須使產(chǎn)品達(dá)到質(zhì)量好、壽命長、可靠性高，而這些指標(biāo)是由失效分析來保證的。失效分析不僅可以提高產(chǎn)品的質(zhì)量和延長產(chǎn)品的使用壽命，而且還能進(jìn)行技術(shù)反饋，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益。 提高機(jī)械產(chǎn)品的信譽(yù)與失效分析的關(guān)系如圖3-49所示。 另外，失效分析還能為產(chǎn)

12、品的仲裁、索賠，制定指令性文件等提供重要依據(jù)。失效分析對質(zhì)量控制、材料的發(fā)展及規(guī)劃、儀器設(shè)備的正確維護(hù)和使用等也可提供合理化意見。 三、失效分析方法三、失效分析方法 因?yàn)闄C(jī)械構(gòu)件多數(shù)是在運(yùn)行過程中發(fā)生斷裂失效的，每當(dāng)一個零部件斷裂損壞時，它和別的零部件、周圍環(huán)境和操作等均有著十分密切的關(guān)系。查找原因時要從設(shè)計(jì)水平、材料質(zhì)量、加工狀態(tài)、維修情況、裝配精度、工作環(huán)境、服役條件和操作方法等因素中找出造成損壞的主要原因，并根據(jù)損壞的原因、機(jī)理、類型和階段，進(jìn)行分析判斷，制定出改進(jìn)措施。 斷裂過程是個動態(tài)變化過程，對斷裂直接進(jìn)行觀察分析是比較困難的。而斷口是斷裂的靜態(tài)反映，如果對斷口進(jìn)行仔細(xì)觀察和分析就

13、能找出斷裂的原因、機(jī)理等。因此斷口如實(shí)地反映了機(jī)械構(gòu)件斷裂的全過程、即機(jī)械構(gòu)件裂紋的萌生與擴(kuò)展過程，因此斷口分析是機(jī)械構(gòu)件斷裂失效分析的一個重要手段。 為了取得更好的分析效果。還必須輔以無損檢測、機(jī)械性能試驗(yàn)、金相檢驗(yàn)、化學(xué)分析、X射線分析、斷裂韌度試臉、電子能譜分析及模擬試驗(yàn)等檢驗(yàn)方法，最后將上述分析和試驗(yàn)的結(jié)果與數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合分析、并提出改進(jìn)措施，寫出失效分析報(bào)告。1原始資料的收集 原始資料系指構(gòu)件服役前的全部經(jīng)歷，構(gòu)件的服役歷史和斷裂時的現(xiàn)場情況等。此外，還要從散落的失效殘骸中選擇有分析價值的斷口和供做其他檢測用的試樣材料。（1）構(gòu)件服役前的經(jīng)歷 首先要了解構(gòu)件的設(shè)計(jì)依據(jù)、參數(shù)和圖樣技術(shù)要

14、求，其次是了解構(gòu)件的制造和加工工藝，然后了解構(gòu)件的物理性質(zhì)，力學(xué)性能和化學(xué)成分分析的檢驗(yàn)報(bào)告。最后還要了解構(gòu)件的安裝情況和試車情況等。（2）構(gòu)件的服役歷史 查閱操作人員的工作記錄。構(gòu)件的實(shí)際運(yùn)行情況。構(gòu)件所處的環(huán)境狀況。 然而，實(shí)際上是很難知道構(gòu)件的全部服役歷史的。這就必須從零星的使用情況綜合分析構(gòu)件服役時的負(fù)載變化，盡量從使用條件中得到一些分析依據(jù)。（3）現(xiàn)場記錄及殘骸的收集 斷裂失效現(xiàn)象發(fā)生后，分析人員要親臨現(xiàn)場，深入了解失效發(fā)生時的各種條件和事故過程.。對散落的碎片，均應(yīng)觀察其所處的位置、環(huán)境和取向，經(jīng)詳細(xì)記錄或攝影后方可移動。同時還應(yīng)注意損壞構(gòu)件與其他構(gòu)件之間的關(guān)系并予以記錄。 收集的

15、碎片應(yīng)盡可能齊全，尤其是首先斷裂的部分。除沾著的腐蝕性介質(zhì)應(yīng)即時清洗去掉外，對斷口上的其他沉積或粘附物質(zhì)，甚至砂?；蛭畚锏?，一般均暫不清除，待進(jìn)行細(xì)致的斷口觀察后再作處理，因?yàn)檫@些物質(zhì)對斷裂原因的分析常常能夠提供有用的線索。2碎片或斷口的選擇與保存 碎片是斷裂失效分析的第一手資料，是斷口分析的依據(jù)，在斷裂事故發(fā)生后應(yīng)小心謹(jǐn)慎收集，妥為保存。 有關(guān)主裂紋的判別方法和二次裂紋的選樣等內(nèi)容請見前節(jié)所述。3斷口分析技術(shù) 在機(jī)械構(gòu)件斷裂事故中，一般都要形成斷口，因此斷口分析是斷裂失效分析的最重要的分析過程。 在斷口分析技術(shù)中，最關(guān)鍵的兩項(xiàng)工作是斷口的選擇和斷口的觀察。對于斷裂原因的正確分析及斷口形貌的正

16、確解釋，在很大程度上依靠斷口樣品的正確選擇及斷口形貌的清晰程度。 斷口觀察包括宏觀觀察和微觀觀察。斷口宏觀觀察主要是確定裂源位置及裂紋的擴(kuò)展方向；斷口微觀觀察是在宏觀觀察的基礎(chǔ)上，對裂源區(qū)、裂紋擴(kuò)展區(qū)及最終斷裂區(qū)進(jìn)行檢驗(yàn)。應(yīng)用電子顯微鏡、電子探針、離子探針及俄歇譜儀等工具可觀察或檢查微觀形貌特征，微量或痕量元素對斷裂的影響等。從而進(jìn)一步判斷和證實(shí)斷裂的性質(zhì)和方式。在斷口分析中必須注意這二者的結(jié)合。（1）斷口的宏觀觀察 斷口的宏觀觀察是指用肉眼、放大鏡、光學(xué)顯微鏡及掃描電鏡的低倍觀察。 首先用肉眼和放大鏡觀察斷裂構(gòu)件的外貌，應(yīng)待別注意構(gòu)件碎片的表面觀察，看看是否有加工缺陷(如刀痕、折登、變形、縮

17、頸及彎曲等)、是否存在產(chǎn)生應(yīng)力集中的薄弱環(huán)節(jié)(如夾角、油孔等)以及表面損傷(如化學(xué)腐蝕、機(jī)械磨損等)。 接著，根據(jù)斷口的宏觀特征來確定裂紋源及裂紋的擴(kuò)展方向。在此基礎(chǔ)上將斷口按裂源區(qū)、裂紋緩慢擴(kuò)展區(qū)和裂紋快速擴(kuò)展區(qū)進(jìn)行光學(xué)顯微鏡或掃描電子顯微鏡的低倍觀察，特別是裂紋源區(qū)要用雙筒立體顯微鏡進(jìn)行反復(fù)觀察，因?yàn)榱鸭y源往往與材料缺陷有聯(lián)系。（2）斷口的微觀觀察 斷口的微觀觀察通常是應(yīng)用電子顯微鏡。斷口的微觀觀察是在斷口宏觀觀察的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。通過對斷口的微觀觀察除可進(jìn)一步澄清斷裂的路徑、斷裂的性質(zhì)、環(huán)境對斷裂的影響等因素外，還將找出斷裂的原因及其斷裂機(jī)理等因素。 但是在進(jìn)行微觀觀察時。要注意防止片面性

18、，不能從局都的特征輕易地做出結(jié)論，必須進(jìn)行反復(fù)的觀察。對于各種顯微形貌特征，要有數(shù)量的概念或統(tǒng)計(jì)的概念，并且還要與宏觀觀察的情況結(jié)合起來，才能得出正確的判斷。 斷口的微觀觀察除作定性的分析研究之外，還可以作定量的分析研究。例如，分析研究斷口顯微參量與斷裂力學(xué)參數(shù)之間的定量關(guān)系等。 應(yīng)用透射電子顯微鏡不能直接檢查斷口表面，需要制作塑料碳復(fù)型，且用重金屬投影增強(qiáng)反差。用于萃取復(fù)型的一個有效的輔助方法，是通過電子衍射技術(shù)鑒別第二相粒子或者腐蝕產(chǎn)物等。應(yīng)用掃描電鏡可直接檢查實(shí)物斷口表面，它可以連續(xù)放大觀察。電子圖像立體感強(qiáng)，其分辨能力可達(dá)15nrn左右，它是斷裂失效分析的最有力的工具。4其他檢驗(yàn)分析

19、在失效分析中，為更好地獲得分析結(jié)果，除了進(jìn)行斷口分析之外，還必須進(jìn)行化學(xué)、力學(xué)、物理等試驗(yàn)分析。 （1）化學(xué)分析 在失效分析中，為了查明材料是否符合規(guī)定要求，必須進(jìn)行化學(xué)成分分析。實(shí)際使用的材料成分與規(guī)定成分稍有偏差，在失效分析中并不太重要。只有很少數(shù)的服役失效是由于材料使用不當(dāng)或者有缺陷而引起的。因此，從化學(xué)成分分析的結(jié)果去找失效的原因是很少數(shù)的。在某些特殊失效分析中，特別是包含著腐蝕和應(yīng)力腐蝕的失效案例，則很需要對腐蝕表面沉積物、氧化物或者腐蝕產(chǎn)物以及與被腐蝕材料接觸的介質(zhì)進(jìn)行化學(xué)分析，以利于初步確定失效的原因。 化學(xué)分析包括常規(guī)的、局部的、表面的和微區(qū)的化學(xué)分析。在分析中應(yīng)當(dāng)注意常規(guī)成分

20、報(bào)告中那些沒有規(guī)定限量的有害元素，例如，砷、銻，鉛、錫、鉍等是否超過限量。另外，還要注意氣體含量，例如氫、氧、氮等也不能超過一定的限量。 在失效分析中，經(jīng)常使用電子探針、俄歇譜儀、離子探針等儀器來檢測腐蝕產(chǎn)物、表面化學(xué)元素組成、化學(xué)成分的局部偏析、微量及痕量元素等。（2）金相檢驗(yàn) 金相檢驗(yàn)在構(gòu)件斷裂失效分析中也是經(jīng)常應(yīng)用的一種重要手段。有些損壞構(gòu)件往往只需做金相檢驗(yàn)就可以查明損壞的原因。例如由加工工藝、材質(zhì)缺陷和環(huán)境介質(zhì)等因素所導(dǎo)致的損壞，均可通過金相檢驗(yàn)來判別損壞原因。 金相檢驗(yàn)的內(nèi)容主要有晶粒的大小、組織形態(tài)、第二相粒子的大小及分布、晶界的變化、夾雜物、疏松、裂紋、脫碳等缺陷。特別應(yīng)注意晶

21、界的檢驗(yàn)，是否有析出相、腐蝕等現(xiàn)象發(fā)生。 檢查裂紋時，往往能從裂紋尖端的試樣得到最有價值的情報(bào)。由于它受環(huán)境介質(zhì)的影響較小，容易判別裂紋擴(kuò)展路徑的方式一穿晶型或沿晶型。（3）物相分析 斷口上經(jīng)常有夾雜物、第二相、腐蝕產(chǎn)物等析出或生成，它們對構(gòu)件斷裂尤其是沿晶斷裂影響顯著，因此，進(jìn)行物相分析，通常使用x射線衍射儀、電子顯微鏡、電子衍射儀、離子質(zhì)譜儀等，對確定其結(jié)構(gòu)及化學(xué)組成是很有必要的。（4）斷裂力學(xué)分析 斷裂力學(xué)對于金屬材料的研究、機(jī)械構(gòu)件的設(shè)計(jì)、構(gòu)件安全壽命的預(yù)測及剩余壽命的估算等方面，均起著重要的作用。在機(jī)械構(gòu)件設(shè)計(jì)時，不能單純追求材料的強(qiáng)度指標(biāo)，尤其是大截面或零部件處于平面應(yīng)變條件下，必

22、須認(rèn)真考慮構(gòu)件的應(yīng)力強(qiáng)度因子和材料的斷裂韌度的大小。如果構(gòu)件處于腐蝕介質(zhì)環(huán)境中，還需要考慮K1SCC值，才能確定構(gòu)件安全使用所能允許的裂縫尺寸，以及確定含有裂紋構(gòu)件的剩余壽命等。 目前，常用的評價斷裂韌度的方法有：平面應(yīng)變斷裂韌度測試、動態(tài)撕裂測試、J積分?jǐn)嗔雅袚?jù)、裂紋張開位移及動態(tài)斷裂韌度測試等。（5）模擬試驗(yàn) 所謂“模擬試驗(yàn)”，是指把在已知條件下斷裂的斷口形貌與未知條件下斷裂者進(jìn)行比較，從而初步判斷或分析是否正確。也有人稱之為對比試驗(yàn)，亦即通過試驗(yàn)方法再現(xiàn)失效構(gòu)件斷口。 在失效分析進(jìn)人最后階段時?？赡苄枰獙Ρ淮_認(rèn)為導(dǎo)致失效的失效原因進(jìn)行模擬試驗(yàn)。但是模擬試驗(yàn)往往不是全部能辦到的。因?yàn)樾枰獜?fù)

23、雜的設(shè)備，而且即使可行，所有的服役備件也不可能是十分清楚和容易模擬的。例如，腐蝕失效就很難在試驗(yàn)室再現(xiàn)。 要想對實(shí)際失效現(xiàn)象進(jìn)行全部模擬是很難實(shí)現(xiàn)的，但是對其中一個或兩個參數(shù)或參量進(jìn)行模擬，還是可以辦到的。例如，溫度、介質(zhì)濃度等環(huán)境因素對失效的影響的模擬等。5綜合分析 失效分析進(jìn)行到一定階段，需要對從各種檢查和試驗(yàn)所獲得的結(jié)果和基本試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面的分析研究。如果遇到失效原因捉摸不定的情況?？刹殚喴寻l(fā)表的同類實(shí)例報(bào)告，也許有助于獲得新的線索。 一般而言，可以從各種檢驗(yàn)結(jié)果、試驗(yàn)數(shù)據(jù)和記錄的綜合分析中，得出失效的一種或幾種主要原因，并且提出改進(jìn)措施。 失效分析報(bào)告應(yīng)該寫得清晰、簡練和合乎邏輯。其

24、具體內(nèi)容如下：（1）失效構(gòu)件的描述。（2）失效時的服役條件。（3）失效前的服役條件。（4）構(gòu)件制造及熱處理過程。（5）失效構(gòu)件材料的冶金質(zhì)量評定。（6）各種物理、化學(xué)、力學(xué)試驗(yàn)。（7）失效的主要原因及其影響因素。（8）預(yù)防措施及改進(jìn)建議等。第四單元 力學(xué)性能試驗(yàn)一一、硬度試驗(yàn)的意義及分類、硬度試驗(yàn)的意義及分類 硬度是金屬材料力學(xué)性能中最常用的性能指標(biāo)之一，是表征金屬在表面局部體積內(nèi)抵抗變形或破裂的能力。硬度試驗(yàn)大致可分為壓入法、彈性回跳法、劃痕法三類。 壓入法、彈性回跳法表征金屬抵抗變形的能力。劃痕法硬度試驗(yàn)是表征金屬抵抗破裂的能力。其中壓入法應(yīng)用較廣，硬度試驗(yàn)應(yīng)力狀態(tài)最軟（即最大切應(yīng)力遠(yuǎn)大于

25、最大正應(yīng)力），不論是塑性金屬材料或脆性材料均可采用，可以用來測定淬火鋼，硬質(zhì)合金甚至玻璃、陶瓷等脆性金屬材料的性能。 壓入法主要有布氏硬度、洛氏硬度、維 氏硬度、顯微硬度及努氏硬度； 彈性回跳法有肖氏硬度； 劃痕法為莫氏硬度。 二、布氏硬度試驗(yàn)法二、布氏硬度試驗(yàn)法（圖圖4-1） 圖4-1模塊一模塊一 硬度試驗(yàn)硬度試驗(yàn)洛氏硬度試驗(yàn)具有以下優(yōu)點(diǎn):（1）因洛氏硬度有許多不同的標(biāo)尺，壓頭有硬質(zhì)、軟質(zhì)多種，可以測出從極軟到極硬金屬材料的硬度，不存在壓頭變形問題。（2）壓痕小，對一般工件不造成損傷。（3）操作簡單迅速，立即得出數(shù)據(jù)，生產(chǎn)效率高，適用于大量生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢驗(yàn)。缺點(diǎn)是采用不同的硬度級測得的硬度無

26、法統(tǒng)一進(jìn)行比較，不像布氏硬度從小到大可以統(tǒng)一比較，此外，因壓痕小，對于具有粗大組織的金屬材料（如灰鑄鐵和粗晶材料等)，缺乏代表性，因此不宜采用此法進(jìn)行試驗(yàn)。三、洛氏硬度試驗(yàn)法四、維氏硬度試驗(yàn)1、維氏硬度試驗(yàn)2、維氏硬度試驗(yàn)的注意事項(xiàng)和局限性1)載荷的選擇 當(dāng)壓痕太小不能獲得準(zhǔn)確的讀數(shù)時，應(yīng)當(dāng)加大載荷;如果壓痕太大，應(yīng)當(dāng)減小載荷。新金屬材料做試臉時，經(jīng)常需要對壓頭進(jìn)行一些試驗(yàn)，以確定最佳載荷。2)壓痕的間距 布氏和洛氏試驗(yàn)時的壓痕間距的原則，也適用于維氏硬度試驗(yàn)。其基本原則為兩壓痕間距應(yīng)大于兩壓痕產(chǎn)生任何應(yīng)力變形范圍的兩倍，亦即保證硬度試驗(yàn)不受兩壓痕變形重至的影響。3)硬度值與載荷值的關(guān)系 由于

27、維氏硬度試驗(yàn)壓痕的幾何形狀相似，似乎硬度值與壓頭載荷值無關(guān)。但是隨著顯微硬度的廣泛使用發(fā)現(xiàn)，硬度值隨載荷值而變化。 模塊二 靜拉伸試驗(yàn)一、靜拉伸試驗(yàn)的特點(diǎn)與意義 靜拉伸試驗(yàn)是一種最簡單的力學(xué)性能試驗(yàn)，在靜拉伸試驗(yàn)是一種最簡單的力學(xué)性能試驗(yàn)，在測試的范圍（標(biāo)距）內(nèi)，受力均勻，應(yīng)力應(yīng)變及其性測試的范圍（標(biāo)距）內(nèi)，受力均勻，應(yīng)力應(yīng)變及其性能指標(biāo)測試穩(wěn)定、可靠，理論計(jì)算方便。通過靜拉伸能指標(biāo)測試穩(wěn)定、可靠，理論計(jì)算方便。通過靜拉伸試驗(yàn)，可以測定金屬材料彈性變形、塑性變形和斷裂試驗(yàn)，可以測定金屬材料彈性變形、塑性變形和斷裂過程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)（如正彈性模量，屈服過程中最基本的力學(xué)性能指標(biāo)（如正彈性

28、模量，屈服強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率等）。靜拉伸強(qiáng)度，抗拉強(qiáng)度、伸長率及斷面收縮率等）。靜拉伸試驗(yàn)中獲得的力學(xué)性能指標(biāo)是金屬材料固有的基本屬試驗(yàn)中獲得的力學(xué)性能指標(biāo)是金屬材料固有的基本屬性和工程設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)。性和工程設(shè)計(jì)中的重要依據(jù)。 二、試樣二、試樣 灰鑄鐵和球墨鑄鐵拉伸試樣 a）灰鑄鐵拉伸試樣 b）球墨鑄鐵拉伸試樣三、拉伸試驗(yàn)機(jī)三、拉伸試驗(yàn)機(jī) 拉伸試驗(yàn)機(jī)一般由機(jī)身、加載機(jī)構(gòu)、測力機(jī)構(gòu)、載荷伸長記錄裝置和夾持機(jī)構(gòu)五部分組成。其中加載機(jī)構(gòu)和測力機(jī)構(gòu)是試驗(yàn)機(jī)的關(guān)鍵部位，這兩部分的靈敏度及精度的高低能正確反映試驗(yàn)機(jī)質(zhì)量的優(yōu)劣。 四、應(yīng)力四、應(yīng)力應(yīng)變曲線及其力學(xué)性能指標(biāo)應(yīng)變曲線及其力學(xué)性

29、能指標(biāo) 典型的靜拉伸試樣采用標(biāo)長為L0，截面積為A0的光滑圓柱試棒進(jìn)行軸向拉伸試驗(yàn)，低碳鋼負(fù)荷F與變形L曲線如圖1所示，由圖1可得應(yīng)力和應(yīng)變曲線（如圖2所示）。五、抗拉強(qiáng)度（五、抗拉強(qiáng)度（Rm） 抗拉強(qiáng)度（又稱強(qiáng)度極限）Rm是在試驗(yàn)過程試樣所承受的最大載荷Fm與試樣原始截面積S0的比值，即。它代表最大均勻變形的抗力。對于無縮頸的脆性材料，它還表示材料的斷裂抗力。由于它表征著一定截面的材料所能承受的最大載荷，故它有著重大的實(shí)用價值。六、幾種常用鋼材的靜拉伸數(shù)據(jù)六、幾種常用鋼材的靜拉伸數(shù)據(jù)七、影響拉伸試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)的主要因素七、影響拉伸試驗(yàn)性能數(shù)據(jù)的主要因素1、試樣取樣位置與方向的影響2、試樣形狀與

30、尺寸的影響3、應(yīng)變速率、表面粗糙度和金屬材料脆性的影響模塊三模塊三 壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)壓縮、彎曲及扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)一、壓縮試驗(yàn)一、壓縮試驗(yàn) 壓縮試驗(yàn)是拉伸試驗(yàn)的反向加載。因此拉伸試驗(yàn)時所定義的各種性能指標(biāo)和相應(yīng)的計(jì)算公式對壓縮試驗(yàn)都保持相同的形式。所不同的是壓縮試樣的變形不是伸長而是縮短。截面積不是縮小而是橫向增大。 壓縮試驗(yàn)時，試樣端部的摩擦阻力對試驗(yàn)結(jié)果影響很大。因此。試臉端面應(yīng)通過精整加工、涂油或涂石墨粉予以潤滑，或者采用特殊設(shè)計(jì)的壓頭。使端面的摩擦阻力減至最小程度。 另外，在進(jìn)行脆性金屬材料的壓縮試驗(yàn)時，在壓縮破壞時易發(fā)生碎片飛出，為了防止危險(xiǎn)，應(yīng)加防護(hù)罩裝置。 二、彎曲試驗(yàn)二、彎曲試驗(yàn) 彎

31、曲試驗(yàn)不受試樣偏斜的影響，可以穩(wěn)定地測定脆性和低塑金屬材料的抗彎強(qiáng)度，同時用撓度表示塑性，能明顯地顯示脆性或低塑性金屬材料的塑性。所似這種試驗(yàn)很適用評定脆性或低塑性金屬材料，如鑄鐵、工具鋼、滲碳鋼，硬質(zhì)合金及陶瓷等。另外，許多機(jī)件是在彎曲載荷下工作，需要對這些機(jī)件的金屬材料進(jìn)行彎曲試驗(yàn)評定。彎曲試驗(yàn)具有試樣形狀簡單（一般有圓形、方形和矩形三種）、操作不便、不受試樣偏斜影響等優(yōu)點(diǎn)。 由于彎曲試驗(yàn)對表面缺陷比較敏感，所以常用它來比較和鑒定滲碳等表面化學(xué)熱處理、高頻淬火等表面處理的零件的金屬材料質(zhì)量和表層強(qiáng)度等性能的差異。 對于普通碳素鋼及低合金鋼板、管、線、型材等彎曲試驗(yàn)，可參考有關(guān)國標(biāo)和冶標(biāo)。

32、三、靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)三、靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn) 金屬室溫靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)方法在國標(biāo)GB10128-2007中有詳細(xì)規(guī)定。靜扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)具有以下特點(diǎn)：（1）扭轉(zhuǎn)時應(yīng)力狀態(tài)較軟，在拉伸試驗(yàn)中表現(xiàn)為脆性的金屬材料（如淬火低溫回火的工具鋼和某些結(jié)構(gòu)鋼）有可能處于韌性狀態(tài)，便于進(jìn)行各種力學(xué)性能指標(biāo)的測定和比較。（2）用圓柱形試樣進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時，試樣始終保持均勻圓柱形，其截面和工作長度基本上保持原有大小不變，這樣便有可能很好地測定高塑性金屬材料直至斷裂前的形變能力和變形抗力。圖4-29表示退火低碳鋼的扭轉(zhuǎn)力矩（扭矩）M和扭角關(guān)系曲線。 （3）對于低塑性金屬材料，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)對反映其缺陷，特別 是表面缺陷很敏感。如滲碳悴火低溫回火后檢驗(yàn)表面滲碳質(zhì)量，淬火低溫回火工具鋼檢驗(yàn)其表面微裂紋等。（4）扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)時截面上的應(yīng)力分布不均勻，在表面處最大，愈往心部愈小。對于顯示金屬體積性缺陷。特別是心部缺陷不敏感。四、剪切試驗(yàn)四、剪切試驗(yàn) 1)雙剪切試驗(yàn) 2)單剪切試驗(yàn) 3)沖壓剪切試驗(yàn) 模塊四模塊四 沖擊試驗(yàn)沖擊試驗(yàn)一、沖擊試驗(yàn)的意義一、沖擊試驗(yàn)的意義 沖擊試驗(yàn)是把要試驗(yàn)的金屬材料制成規(guī)定形狀和尺寸的試樣，在沖擊試驗(yàn)機(jī)上一次沖斷，用沖斷試樣所消耗的功或試樣斷口形貌特點(diǎn)，經(jīng)過整理得到規(guī)定定義的沖擊性能指標(biāo)。例如沖擊韌度、沖擊吸收功以及纖維斷口所占斷口面積的百分比等。沖擊試驗(yàn)所得性能指標(biāo)沒