失效分析基本方法

失效分析基本方法第一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日13.1失效分析的方法及程序相關(guān)性分析的思路及方法系統(tǒng)工程的分析思路及方法數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析思路及方法

第二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日2相關(guān)性分析的思路及方法

一般用于具體零、部件及不太復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)的失效分析中。1.按照失效件制造的全過(guò)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.“四M”分析思路及方法

第三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日31．按照失效件制造的全過(guò)程及使用條件的分析方法（1）審查設(shè)計(jì)如對(duì)使用條件估計(jì)不足進(jìn)行的設(shè)計(jì)，標(biāo)準(zhǔn)選用不當(dāng)，設(shè)計(jì)判據(jù)不足，高應(yīng)力區(qū)有缺口，截面變化太陡，缺口或凹倒角半徑過(guò)小及表面加工質(zhì)量要求過(guò)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(jí)，顯微組織不符合要求，材料各向異性嚴(yán)重，冶金缺陷等。（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(yán)重，裝配不當(dāng)，異物混入及漏檢等。（4）使用及維護(hù)情況分析超載、超溫、超速，啟動(dòng)、停車(chē)頻繁或過(guò)于突然，潤(rùn)滑制度不正確，潤(rùn)滑劑不合格，冷卻介質(zhì)中混有硬質(zhì)點(diǎn)，未按時(shí)維修保養(yǎng)，意外災(zāi)害預(yù)防措施不完善等。第四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日42.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(gè)具體的零件失效后，根據(jù)其表現(xiàn)形式（過(guò)量變形、表面損傷和斷裂）進(jìn)一步分析失效模式，然后分析導(dǎo)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。第五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日53.“四M”分析思路及方法

所謂“四M”分析法，是指將Man（人）、Machine（機(jī)器設(shè)備）、Media（環(huán)境介質(zhì)）和Management（管理）作為一個(gè)統(tǒng)一的系統(tǒng)進(jìn)行分析的方法。對(duì)于一個(gè)比較復(fù)雜的系統(tǒng)常采用此種方法。依此分別進(jìn)行如下四方面的分析工作。

（1）操作人員情況的分析如工作態(tài)度不好、責(zé)任心不強(qiáng)、玩忽職守、主觀臆斷和違章作業(yè)等不安全行為以及缺乏經(jīng)驗(yàn)、反應(yīng)遲鈍和技術(shù)低劣等局限性。

（2）環(huán)境情況的分析主要指的是產(chǎn)品在使用狀態(tài)下所處的環(huán)境條件，如載荷狀態(tài)、大小、方向的變化。溫度，濕度，塵埃，是否存在腐蝕介質(zhì)等。

（3）設(shè)備情況的分析主要指的是材料的選擇，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，加工制信水平及安裝、運(yùn)輸保護(hù)措施等。

（4）管理情況的分析如缺乏適當(dāng)?shù)淖鳂I(yè)程序，保護(hù)措施不健全，輔助工作太差，使用的工具、設(shè)施不當(dāng)，沒(méi)有按規(guī)定的作業(yè)程序操作，缺乏嚴(yán)格的維修保養(yǎng)制度等。

第六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日6失效系統(tǒng)工程分析法

失效系統(tǒng)工程是把復(fù)雜的設(shè)備或系統(tǒng)和人的因素當(dāng)作一個(gè)統(tǒng)一體，運(yùn)用數(shù)學(xué)方法和計(jì)算機(jī)等現(xiàn)代化工具，來(lái)研究設(shè)備或系統(tǒng)失效的原因與結(jié)果之間的邏輯聯(lián)系，并計(jì)算出設(shè)備或系統(tǒng)失效與部件之間的定量關(guān)系。第七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日7失效系統(tǒng)工程分析法主要類(lèi)型：（1）故障樹(shù)分析法（簡(jiǎn)稱(chēng)FTA法）（2）特征—因素圖分析法（3）事件時(shí)序樹(shù)分析法（簡(jiǎn)稱(chēng)ETA法）（4）故障率預(yù)測(cè)法（5）失效模式及后果分析法（簡(jiǎn)稱(chēng)FMEA法）（6）模糊數(shù)學(xué)分析法第八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日82．故障樹(shù)分析法基本概念

故障樹(shù)分析法是美國(guó)委記貝爾電話(huà)研究所于1961年首先提出來(lái)的。故障樹(shù)分析的概念來(lái)自數(shù)學(xué)圖論中樹(shù)的概念和計(jì)算機(jī)算法符號(hào)。在分析中把分析的設(shè)備叫做系統(tǒng)，把組成該設(shè)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(lái)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(shè)備也處于兩種狀態(tài)中的一種：正?；蚴АＫ^故障樹(shù)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(guān)系，分清正常事件和異常事件（失效事件），再找出失效原因。第九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日9

故障樹(shù)分析法的特點(diǎn)

它可以查明與事故發(fā)生有關(guān)的所有原因；作為一種手段，利用樹(shù)形圖可把分析過(guò)程和結(jié)果表示出來(lái)，并可以很方便地計(jì)算出系統(tǒng)失效的概率。因而它是對(duì)一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)進(jìn)行失效分析的重要工具。第十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日10工作程序確定不希望發(fā)生的事件（上端事件）；對(duì)設(shè)備的設(shè)計(jì)、制造、維修、使用等技術(shù)資料進(jìn)行分析；采用手工或計(jì)算機(jī)合成故障樹(shù)；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(jì)算時(shí)必須的故障率數(shù)據(jù)；計(jì)算上端事件發(fā)生的概率；對(duì)基本事件的重要度作評(píng)價(jià)；分析計(jì)算結(jié)果，提出改進(jìn)措施。第十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日11所用符號(hào)

故障樹(shù)是一種邏輯圖，是根據(jù)一定的邏輯方式把一些特殊符號(hào)連接起來(lái)的樹(shù)形圖。通常在故障樹(shù)中出現(xiàn)的符號(hào)大體上可分為邏輯門(mén)符號(hào)、故障事件符號(hào)和其它符號(hào)三類(lèi)。故障樹(shù)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(shù)。在采用手工合成故障樹(shù)時(shí)，一邊反復(fù)提出問(wèn)題一邊對(duì)樹(shù)進(jìn)行展開(kāi)。對(duì)各個(gè)門(mén)事件提出的問(wèn)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(kāi)到基本事件（原因）或沒(méi)有必要再發(fā)展的事件為止。第十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日11第十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日11第十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日12

如圖是一個(gè)冷卻劑的供應(yīng)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(gè)組元組成的。該系統(tǒng)的作用是對(duì)主要設(shè)備供應(yīng)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(shù)的上端事件。為分析其失效原田而繪制故障樹(shù)。例第十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日13第十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日14第十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日15第十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日15第十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日15第二十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日15第二十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日15（三）數(shù)理統(tǒng)計(jì)分析思路及方法巴特雷圖相關(guān)性分析灰色關(guān)聯(lián)分析

第二十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日16失效分析的一般程序

機(jī)械零件失效的情況是千變?nèi)f化的，分析的目的和要求也不盡相同，因而很難規(guī)度一個(gè)統(tǒng)一的分析程序。一般說(shuō)來(lái)，大體上包括：調(diào)查失效事件的現(xiàn)場(chǎng)，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(jié)論，重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)，確定失效原因并提出建議措施，寫(xiě)出分析報(bào)告等內(nèi)容。

第二十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日17

失效分析的步驟

l、現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查（1）保護(hù)現(xiàn)場(chǎng)（2）查明事故發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)及失效過(guò)程（3）收集殘骸碎片，標(biāo)出相對(duì)位置，保護(hù)好斷口。（4）選取進(jìn)一步分析的試樣，。（5）詢(xún)問(wèn)且擊者及其他有關(guān)人員能提供的有關(guān)情況。（6）寫(xiě)出現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查報(bào)告。第二十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日18收集背景材料（1）設(shè)備的自然情況（2）設(shè)備的運(yùn)行記錄（3）設(shè)備的維修歷史情況（4）設(shè)備的失效歷史情況（5）設(shè)計(jì)圖紙及說(shuō)明書(shū)，裝配程序說(shuō)明書(shū)，使用維護(hù)說(shuō)明書(shū)（6）材料選擇及其依據(jù)（7）設(shè)備主要零部件的生產(chǎn)流程（8）質(zhì)量檢驗(yàn)報(bào)告及有關(guān)的規(guī)范和標(biāo)準(zhǔn)第二十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日19技術(shù)參量復(fù)驗(yàn)

（1）材料的化學(xué)成分（2）材料的金相組織及硬度（3）常規(guī)力學(xué)性能（4）主要零部件的幾何參量及裝配間隙第二十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日204．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(kuò)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(wú)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(jié)構(gòu)分析（X射線衍射法）（7）斷裂韌性檢查，強(qiáng)度、韌性及剛度校核第二十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日21

5綜合分析歸納，推理判斷提出初步結(jié)論根據(jù)失效現(xiàn)場(chǎng)獲得的信息、背景材料及各種實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，運(yùn)用材料學(xué)、機(jī)械學(xué)、管理學(xué)及統(tǒng)計(jì)學(xué)等方面的知識(shí)，進(jìn)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(jiàn)和預(yù)防措施。6．重現(xiàn)性試驗(yàn)或證明試驗(yàn)重大事件7．撰寫(xiě)失效分析報(bào)告失效分析報(bào)告與科學(xué)研究報(bào)告相比較，除了在應(yīng)寫(xiě)得條理清晰、簡(jiǎn)明扼要、合乎邏輯方面相同外，二者在格式和側(cè)重點(diǎn)等許多方面都有所不同。失效分析側(cè)重于失效增況的調(diào)查、取證和驗(yàn)證，在此基礎(chǔ)上通過(guò)綜合歸納得出結(jié)論、而不著重探討失效機(jī)理，這就有別于斷裂機(jī)理的研究報(bào)告。第二十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日22

機(jī)械產(chǎn)品的失效分析報(bào)告通常應(yīng)包括的內(nèi)容（1）概述首先介紹失效事件的自然情況：事件發(fā)生的時(shí)間、地點(diǎn)，失效造成的經(jīng)濟(jì)損失及人員傷亡情況；受何部門(mén)或單位的委拓；分析的目的及要求；參加分析人員情況；起止時(shí)間等。（2）失效事件的調(diào)查結(jié)果簡(jiǎn)明扼要地介紹失效部件的損壞情況。當(dāng)時(shí)的環(huán)境條件及工況條件；當(dāng)事人和目擊者對(duì)失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有關(guān)的技術(shù)要求和標(biāo)準(zhǔn)。（3）分析結(jié)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(rèn)識(shí)的自然過(guò)程一步步地介紹清楚。對(duì)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(xué)性能及硬度的復(fù)檢、制造工藝及服役條件的評(píng)價(jià)等分析內(nèi)容通常是不可缺少的。（4）問(wèn)題討論必要時(shí)，對(duì)分析工作中出現(xiàn)的異常情況、觀點(diǎn)上的分歧、失效機(jī)理的看法等問(wèn)題進(jìn)行進(jìn)一步的分析討論。（5）結(jié)論與建議結(jié)論要準(zhǔn)確，建議要具體、切實(shí)可行。寫(xiě)明遺留的問(wèn)題、尚需進(jìn)一步觀察和驗(yàn)證的問(wèn)題等。第二十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日23

斷口分析斷口處理及斷口分析的任務(wù)斷口的宏觀分析斷口的微觀分析第三十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日24

1斷口處理及斷口分析的任務(wù)

斷口分析，是用肉眼、低倍放大鏡、實(shí)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(shè)備，對(duì)斷口表面進(jìn)行觀察及分析，以便找出斷裂的形貌特征、成分特點(diǎn)及相結(jié)構(gòu)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(gè)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(xué)成分、相結(jié)構(gòu)及其分布等）。在對(duì)斷口進(jìn)行分析以前必須妥善地保護(hù)好斷口并進(jìn)行必要的處理。第三十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日25斷裂的基本分類(lèi)

1.延性斷裂與脆性斷裂斷裂前如有宏觀塑性變形——延性斷裂斷裂前如無(wú)宏觀塑性變形——脆性斷裂

2.穿晶斷裂與沿晶斷裂裂紋擴(kuò)展是穿過(guò)晶粒內(nèi)部的——穿晶斷裂裂紋擴(kuò)展是沿著晶粒晶界的——沿晶斷裂穿晶斷裂可分：脆性斷裂——穿過(guò)晶粒，沿晶體的解理面裂開(kāi)，無(wú)塑性變形延性斷裂——穿過(guò)晶粒，晶粒本身有明顯塑性變形第三十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日26斷口處理及斷口分析的任務(wù)

1斷口的處理（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；（2）對(duì)于斷后被油污染的斷口，要進(jìn)行仔細(xì)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(duì)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(xué)法、電化學(xué)法及干剝法等。

第三十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日27

2.斷口分析的任務(wù)（l）確定斷裂的宏觀性質(zhì)。塑性斷裂/脆住斷裂/疲勞斷裂等。（2）確定斷口的宏觀形貌。纖維狀斷口/結(jié)晶狀斷口；有無(wú)放射線花樣及有無(wú)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)是單個(gè)還是多個(gè)，在存在多個(gè)裂草源區(qū)的情況下，它們產(chǎn)生的先后順序是怎樣的等；（4）確定斷口的形成過(guò)程。裂紋是從何處產(chǎn)生的，裂紋向何處擴(kuò)展，擴(kuò)展的速度如何等；（5）確定斷裂的微觀機(jī)制。解理型/準(zhǔn)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(wú)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(guò)程等。第三十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日28

3.2.3斷口的宏觀分析方法第三十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日29

生產(chǎn)中的產(chǎn)品檢驗(yàn)：利用斷口來(lái)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(shí)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(yīng)器設(shè)計(jì)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(wú)疏松、來(lái)雜、氣孔、折迭、分層、白點(diǎn)及氧化膜等）。第三十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日30

斷口的宏觀分析，能夠了解斷裂的全過(guò)程，因而有助于確定斷裂過(guò)程和構(gòu)件幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)系，并有助于確定斷裂過(guò)程和斷裂應(yīng)力（正應(yīng)力及切應(yīng)力）間的關(guān)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(kuò)展方向等。斷口的宏觀分析是斷裂件失效分析的基礎(chǔ)第三十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日311.最初斷裂件的判斷

分析對(duì)象是一個(gè)復(fù)雜的大型機(jī)組或是一組同類(lèi)零件中的多個(gè)發(fā)生斷裂。（1）整機(jī)殘骸的失效分析整機(jī)殘骸的分析通常稱(chēng)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(jī)破壞的先后順序，由大部件到小部件，再到單個(gè)零件，進(jìn)而對(duì)最初斷裂件的斷口作具體分析。（2）多個(gè)同類(lèi)零件損壞的失效分析一組同類(lèi)零件的幾個(gè)或全部發(fā)生損壞時(shí)，要判明事故原因需確定哪一個(gè)件先壞，這類(lèi)分析也應(yīng)采用順序分析法。在對(duì)多個(gè)同類(lèi)零件的損壞情況下，要根據(jù)損壞件的變形及損傷的嚴(yán)重程度來(lái)確定最初破斷件。（3）同一個(gè)零件上相同部位的多處發(fā)生破斷時(shí)的分析在同一個(gè)零件上，在其幾何結(jié)構(gòu)及受力情況完全相同的幾個(gè)部位均出現(xiàn)損壞的情況。必須首先搞清楚是哪個(gè)部位首先損壞。第三十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日322.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(wù)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(kāi)裂的斷裂面。主斷面上的變形程度、形貌特點(diǎn)，特別是斷裂源區(qū)的分析，是整個(gè)斷裂事故分析中最重要的環(huán)節(jié)。

第三十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日33（1）利用碎片拼湊法確定主斷面

第四十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日34

（2）按照“T”型匯合法確定主斷面或主裂紋

第四十一頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日35

（3）按照裂紋的河流花樣確定主裂紋

第四十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日36

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(jìn)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(kāi)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(wù)，而且是光學(xué)顯微分析和電子顯微分析的基礎(chǔ)。

第四十三頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日37

（1）利用斷口上的“三要素”特征確定裂紋源區(qū)

第四十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日38

（2）利用斷口上的“人”字紋特征確定裂紋源區(qū)

第四十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日39

（3）根據(jù)斷口上的放射花樣確定裂紋源區(qū)

第四十六頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日30

（4）根據(jù)斷口上的“貝紋”線確定裂紋源區(qū)

第四十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日31

（5）將斷開(kāi)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)氧化色第四十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日32

4、宏觀斷口的表觀現(xiàn)象

與致斷原因初判

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（1）斷裂源區(qū)和零件幾何結(jié)構(gòu)間的關(guān)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(duì)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(yīng)提高材料的強(qiáng)度水平或加大零件的幾何尺寸。表面硬化件發(fā)生斷裂時(shí)，斷裂源可能發(fā)生在次表層，為防止此類(lèi)零件的斷裂，應(yīng)加大硬化層的深度或提高零件的心部硬度。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(tái)、缺口、刮傷及較深的加工刀痕等應(yīng)力集中處。為防止此類(lèi)破壞顯然應(yīng)從減小應(yīng)力集中方面入手。第五十頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日34

（2）斷裂源區(qū)與零件最大應(yīng)力截面位置的關(guān)系斷裂源區(qū)的位置一般應(yīng)與最大應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)。如果不一致則表明零件的幾何結(jié)構(gòu)存在某種缺陷或工作載荷發(fā)生了變化，但更為常見(jiàn)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(yán)重）或存在著較嚴(yán)重的缺陷（如鑄造缺陷、焊接裂紋、鍛造折迭）等情況。例如，承受單向扭轉(zhuǎn)工作載荷的軸件，其斷口的宏觀形貌，按其與最大應(yīng)力之關(guān)系可能有以下幾種情況：

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（a）斷口表面與最大正應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)，即斷口與軸線呈45螺旋狀。此種類(lèi)型的斷裂為宏觀脆性斷裂，通常是由材料的脆性過(guò)大或韌塑性不足引起的。通過(guò)改變零件的熱處理工藝，適當(dāng)提高回火溫度則有助于減少零件的此類(lèi)斷裂。（b）斷口的表面與最大切應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)，即斷口平面與軸線垂直或平行。此種類(lèi)型的斷裂為宏觀韌性的斷裂，通常是由材料的強(qiáng)度或硬度不足引起的。適當(dāng)降低零件的回火溫度，則有助于零件使用性能的改善。上述兩種情況均表示材料的組織均勻性未出現(xiàn)太大問(wèn)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(yīng)提高材料的強(qiáng)韌性級(jí)別或者適當(dāng)加大零件的幾何尺寸。（c）斷口表面與軸線的夾角遠(yuǎn)小于45

，即斷口表面既不和最大正應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)也不和最大切應(yīng)力所在平面相對(duì)應(yīng)。換句話(huà)說(shuō)，該斷裂面是在較小的應(yīng)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(yán)重，橫向性能比較差。通常是由材料中的塑性?shī)A雜物比較多及鍛造流線沿軸向分布顯著等因素引起的。第五十二頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日36

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（3）斷裂是從一個(gè)部位產(chǎn)生的還是從幾個(gè)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(yīng)力數(shù)值較小或應(yīng)力狀態(tài)較柔時(shí)易從一處產(chǎn)生，應(yīng)力數(shù)值較大或應(yīng)力狀態(tài)較硬時(shí)易從多處產(chǎn)生；由材料中的缺陷及局部應(yīng)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(jié)構(gòu)缺陷引起的應(yīng)力集中時(shí)，裂紋易從大范圍內(nèi)產(chǎn)生。第五十四頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日38

承受旋轉(zhuǎn)彎曲的軸件可能產(chǎn)生以下幾種類(lèi)型的斷裂：（a）裂紋源于表面一處或兩處（基本對(duì)稱(chēng)，但稍有偏轉(zhuǎn)）這是最為常見(jiàn)的斷裂形式。其產(chǎn)生原因是由于表面拉應(yīng)力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在無(wú)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(lái)決定）也呈此種斷裂形式；（b）裂紋源于次表面某處。次表面的拉應(yīng)力小于表面，其所以成為起裂點(diǎn)，必然存在有較大的缺陷；（c）裂紋源于整個(gè)表面向內(nèi)擴(kuò)展導(dǎo)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(yīng)力集中現(xiàn)象嚴(yán)重所致，如此處為直角過(guò)渡的情況。第五十五頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日39

（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(jī)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(jī)制，且孔坑粗大，塑變現(xiàn)象嚴(yán)重；瓷狀斷口多為準(zhǔn)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(xì)晶粒狀為沿晶斷裂；鏡面反光現(xiàn)象明顯的結(jié)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。

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（5）斷口的邊緣情況觀察斷口的邊緣有無(wú)臺(tái)階、毛刺、剪切唇和宏觀塑性變形等，將有助于分析裂紋源區(qū)的位置、裂紋擴(kuò)展方向及斷裂的性質(zhì)等問(wèn)題。因?yàn)殡S著裂紋的擴(kuò)展，零件的有效面積不斷減小，使實(shí)際載荷不斷增加。對(duì)于塑性材料來(lái)說(shuō)，隨著裂紋的擴(kuò)展，裂紋兩側(cè)的塑性變形不斷加大，依此即可確定裂紋的擴(kuò)展方向。例如，一裂紋順著一排鉚釘孔擴(kuò)展，最先擴(kuò)展的裂紋孔基本不變形是圓形的，而后的裂紋孔將依次加大變形成為非圓形的孔，裂紋的擴(kuò)展方向則是由圓孔指向非圓孔。在斷口的表面沒(méi)有其它特殊花樣存在的情況下，利用斷口邊緣的情況往往是判斷裂紋源區(qū)及裂紋擴(kuò)展方向的唯一的和可靠的方法。第五十七頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日41

（6）斷口上的冶金缺陷注意觀察斷口上有無(wú)夾雜、分層、粗大晶粒、疏松、縮孔等缺陷。有時(shí)依此可以直接確定斷裂原因。第五十八頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日42

3.2.4斷口的微觀分析

斷裂件的斷口經(jīng)宏觀分析之后，對(duì)斷裂的性質(zhì)、類(lèi)型及致斷原因等問(wèn)題已有所了解。但對(duì)于許多斷裂問(wèn)題，特別是在特殊環(huán)境條件下發(fā)生的斷裂，僅限于宏觀分析還是不夠的。其原因是，一方面是由于斷口的某些產(chǎn)物需要搞清楚才能確定斷裂原因，另一方面宏觀斷口形貌尚不能完全揭示出斷裂的微觀機(jī)制及其它細(xì)節(jié)。因此，為了進(jìn)一步搞清楚這些問(wèn)題、尚需對(duì)斷口作微觀分析。其內(nèi)容主要包括斷口的產(chǎn)物分析及形貌分析兩個(gè)方面。第五十九頁(yè)，共七十頁(yè)，2022年，8月28日43

1.斷口微觀分析的內(nèi)容

（1）斷口的產(chǎn)物分析斷口產(chǎn)物的分析又可分為成分分析和相結(jié)構(gòu)分析兩個(gè)方面。成分的確定可采用化學(xué)分析、光譜分析、帶有能譜的掃描電鏡、電子探針及俄歇能譜儀等手段進(jìn)行。產(chǎn)物的相結(jié)構(gòu)分析常用X射線衍射儀、德拜粉末相機(jī)X射線衍射、透射式電子顯微鏡選區(qū)衍射及高分辨率衍射等方法。（2）斷口的微觀形貌分析目前用于斷口微觀形貌分析的工具，主要是電子顯微鏡，即透射電鏡及掃描電鏡。

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2、解理斷裂（1）解理斷裂的特點(diǎn)

解理斷裂是正應(yīng)力作用下金屬的原子鍵遭到破壞而產(chǎn)生的一種穿晶斷裂。其斷裂的特點(diǎn)是，解理初裂紋起源于晶界、亞晶界或相界面并嚴(yán)格沿著金屬的結(jié)晶學(xué)平面擴(kuò)展，其斷裂單元為一個(gè)晶粒尺寸。

金屬晶系解理面-Fe體心立方{100}W面心立方{100}Mg密排六方{0001}Zn密排六方{0001}Ti密排六方{0001}Te六方{1010}Bi菱形{111}Sb菱形{111}第六十一頁(yè)，共七十頁(yè)