《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》 課件全套 蔣小松 第1-5章 緒論-失效案例分析

1《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》第1章緒

論目錄失效出現(xiàn)的宏觀原因失效分析的基本方法失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向失效分析的進(jìn)展失效出現(xiàn)的宏觀原因1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因零部件失效現(xiàn)象在工程中并不少見(jiàn)。失效可以一般定義為：目前在機(jī)械裝備、冶金設(shè)備、鐵路、機(jī)車(chē)車(chē)輛等領(lǐng)域最重要及最廣泛使用的材料仍然是金屬材料，零部件發(fā)生失效往往是在各類(lèi)應(yīng)力作用下發(fā)生的。腐蝕失效問(wèn)題一般有專(zhuān)門(mén)論述，本書(shū)不包括這部分內(nèi)容。造成早期失效的常見(jiàn)的宏觀原因歸結(jié)如下：1.

設(shè)計(jì)問(wèn)題（零部件幾何形狀設(shè)計(jì)問(wèn)題）一些失效問(wèn)題是由設(shè)計(jì)不當(dāng)造成的，例如人為的設(shè)計(jì)缺口。工程中有大量的軸類(lèi)零件（受彎曲或扭轉(zhuǎn)載荷）、孔類(lèi)零件，設(shè)計(jì)者往往將變截面處的圓角半徑取值過(guò)小，就屬這類(lèi)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)。這種設(shè)計(jì)在零件進(jìn)行熱處理時(shí)，往往容易引起該處有很大殘余應(yīng)力，同時(shí)在服役過(guò)程中引起應(yīng)力集中。重新設(shè)計(jì)就可以避免失效。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-1】

不合理的尖角設(shè)計(jì)引起失效問(wèn)題。重載軸承滾柱 材料采用G20Cr2Ni4A，進(jìn)行深層滲碳＋淬火＋回火處理。在滾柱中部有一個(gè)圓孔如圖中虛線所示。在圓孔靠近表面處有一個(gè)臺(tái)階。該臺(tái)階在原設(shè)計(jì)時(shí)是90直角，導(dǎo)致在滾子使用過(guò)程中很容易在此處產(chǎn)生裂紋。后來(lái)改進(jìn)設(shè)計(jì)將此處設(shè)計(jì)為圓弧過(guò)渡，大幅降低了開(kāi)裂情況。軸承形狀圖與滾子圖1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-2】

零部件服役條件判斷有誤，導(dǎo)致設(shè)計(jì)依據(jù)不符合實(shí)際情況。標(biāo)準(zhǔn)件（如螺栓）是最常見(jiàn)的零部件，在各類(lèi)機(jī)械中大量使用。對(duì)于標(biāo)準(zhǔn)件的設(shè)計(jì)，一些設(shè)計(jì)者的思路是依據(jù)標(biāo)準(zhǔn)件承受的拉應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)，即以材料的強(qiáng)度指標(biāo)作為設(shè)計(jì)依據(jù)。圖1-2是某典型設(shè)備上使用的直徑為30

mm的螺栓斷裂的斷口宏觀照片與金相組織照片。據(jù)了解，設(shè)計(jì)人員的出發(fā)點(diǎn)是保證螺栓有高的強(qiáng)度，依據(jù)材料的強(qiáng)度指標(biāo)進(jìn)行設(shè)計(jì)。選擇了GCr15材料進(jìn)行加工（并沒(méi)有選擇合適的熱處理）。

，實(shí)際服役條件下螺栓的斷裂屬于疲勞斷裂（如何判斷見(jiàn)3.1節(jié)），由于設(shè)計(jì)思想有誤，導(dǎo)致螺栓早期斷裂。對(duì)于螺栓的設(shè)計(jì)，許多情況下設(shè)計(jì)者往往選用高強(qiáng)螺栓。但是在螺栓實(shí)際是受到疲勞載荷作用的情況下，并沒(méi)有達(dá)到設(shè)計(jì)要求。高強(qiáng)度常常有損于工件，使工件出現(xiàn)嚴(yán)重的應(yīng)力增高區(qū)域。（a）斷口宏觀照片（b）螺栓金相組織照片（500×）螺栓疲勞斷口照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因2.

設(shè)計(jì)中選材或熱處理選擇不當(dāng)這類(lèi)問(wèn)題實(shí)際上也可以歸類(lèi)為設(shè)計(jì)問(wèn)題。零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)必須進(jìn)行選材，設(shè)計(jì)人員的選材思路一般是根據(jù)零部件受力分析，但有時(shí)是仿照類(lèi)似產(chǎn)品進(jìn)行選材與設(shè)計(jì)，這時(shí)往往由于沒(méi)有考慮使用環(huán)境等影響因素出現(xiàn)選材或熱處理不當(dāng)問(wèn)題?！纠?-3】

高爾夫球頭裂紋問(wèn)題。高爾夫球運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)具有特色魅力的運(yùn)動(dòng)，在我國(guó)也開(kāi)始盛行。某公司采用鈦合金制作高爾夫球頭，出口到國(guó)外使用。在使用過(guò)程中鈦合金的球頭出現(xiàn)大量裂紋，如圖所示。（a）肉眼可見(jiàn)宏觀裂紋 （b）材料內(nèi)部出現(xiàn)大量裂紋鈦合金制作的高爾夫球頭使用過(guò)程中出現(xiàn)大量裂紋照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因【例1-4】

45鋼軸類(lèi)件的不合理設(shè)計(jì)問(wèn)題。設(shè)計(jì)一根材料為45鋼的軸類(lèi)零件，如圖1-4所示，采用以下加工路線：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→產(chǎn)品軸類(lèi)零件設(shè)計(jì)圖紙1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因正確的設(shè)計(jì)應(yīng)該是，

對(duì)零部件進(jìn)行符合實(shí)際情況的受力分析，根據(jù)可以預(yù)測(cè)的斷裂機(jī)理進(jìn)行全面選材，

選擇合理的加工、熱處理工藝。根據(jù)失效機(jī)理對(duì)選材提供一般性判據(jù)，對(duì)于正確選擇材料與熱處理有一定指導(dǎo)意義針對(duì)可能的失效機(jī)理、載荷類(lèi)型、應(yīng)力類(lèi)型和指定的工作溫度進(jìn)行選材時(shí)應(yīng)用的一般性判據(jù)失效機(jī)理載荷類(lèi)型應(yīng)力類(lèi)型工作溫度選材的通用判據(jù)靜態(tài)重復(fù)沖擊拉伸壓縮剪切低溫室溫高溫脆性斷裂×××××××××夏氏V形缺口轉(zhuǎn)變溫度，缺口韌性，KIC韌性值韌性斷裂×××××××××拉伸強(qiáng)度，剪切屈服強(qiáng)度高循環(huán)疲勞×××××××××在有典型的應(yīng)力集中源存在時(shí)的預(yù)期壽命的疲勞強(qiáng)度低循環(huán)疲勞×××××××××有效的靜態(tài)塑性變形以及在指定的壽命中應(yīng)力集中源處的峰值循環(huán)應(yīng)變腐蝕疲勞×××××××××金屬和污染物腐蝕疲勞強(qiáng)度以及同樣時(shí)間的腐蝕疲勞強(qiáng)度扭曲失穩(wěn)×××××××××彈性模量和壓縮屈服強(qiáng)度全面屈服×××××××××屈服強(qiáng)度蠕變×××××××××在工作溫度下和預(yù)期壽命中的蠕變率或持久強(qiáng)度堿脆或氫脆×××××××××在應(yīng)力和氫或其他化學(xué)環(huán)境同時(shí)作用下的穩(wěn)定性應(yīng)力腐蝕開(kāi)裂×××××××××殘余或附加應(yīng)力，對(duì)介質(zhì)的腐蝕抗力，KIC值注：①

摘自“實(shí)驗(yàn)力學(xué)”1970.1.P.1-14，T.

J.

Dolan的文章。②

僅適用于韌性金屬。③

幾百萬(wàn)周。④

與經(jīng)歷的時(shí)間密切相關(guān)的量。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因3.

裝配中的失誤失效有時(shí)是由于在裝配中失誤造成的。這類(lèi)失效一般都不會(huì)在檢驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，而且裝配好的產(chǎn)品初次工作時(shí)也不會(huì)出現(xiàn)明顯的問(wèn)題。這類(lèi)失效往往與機(jī)械組裝件的轉(zhuǎn)動(dòng)部分有關(guān)，而且在結(jié)構(gòu)件中，有許多由裝配失誤引起的失效。例如，在鉚釘孔的布局中，由于不太合理，在飛機(jī)機(jī)翼結(jié)構(gòu)件中引起疲勞失效?！纠?-5】

汽車(chē)皮帶張緊輪開(kāi)裂問(wèn)題。汽車(chē)皮帶張緊輪是汽車(chē)中一個(gè)必備的零部件，由鋁合金制造，內(nèi)部安裝一件卷簧，用于張緊汽車(chē)皮帶使用。某公司制備的張緊輪在使用過(guò)程中，用戶(hù)反映出現(xiàn)了斷裂情況，（a）斷裂的張緊輪 （b）張緊輪組裝后的照片斷裂的張緊輪及張緊輪組裝后的照片1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因4.

不合理的服役條件存在兩種情況：一種情況是設(shè)備在服役過(guò)程中受到超過(guò)設(shè)計(jì)要求的載荷作用，或者材料內(nèi)部存在殘余應(yīng)力沒(méi)有引起設(shè)計(jì)者注意，再累加上服役應(yīng)力造成失效，常見(jiàn)的是一些機(jī)動(dòng)車(chē)輛的超載運(yùn)行引起的事故；另一種情況是在設(shè)計(jì)時(shí)沒(méi)有考慮到實(shí)際工況的某些惡劣環(huán)境的影響，例如很多零部件受到交變載荷作用，設(shè)計(jì)者將材料的抗疲勞性能作為設(shè)計(jì)主要依據(jù)。疲勞裂紋源一般在表面位置，如果實(shí)際工況條件下存在腐蝕介質(zhì)與表面發(fā)生作用，將加速裂紋的形成。由于設(shè)計(jì)者沒(méi)有考慮到腐蝕作用，即使材料有高的疲勞強(qiáng)度仍然發(fā)生斷裂情況。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因5.

材料內(nèi)部組織不當(dāng)或缺陷引起失效【例1-6】

鐵路道岔用高強(qiáng)螺栓斷裂分析。某公司研制一種特制高強(qiáng)螺栓M26，用于緊固鐵路上的道岔。根據(jù)公司技術(shù)人員介紹，他們?cè)O(shè)計(jì)的該高強(qiáng)螺栓材料選用40Cr，采用以下技術(shù)路線制造：下料→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→精加工→成品初期試用共制造了13根螺栓安裝在某車(chē)站附近，進(jìn)行考核試驗(yàn)。過(guò)了3個(gè)月左右，在13根螺栓中有1根發(fā)生了斷裂，剩余的12根螺栓沒(méi)有問(wèn)題，還在繼續(xù)使用。公司有些技術(shù)人員認(rèn)為：由于螺扣處加工精度不夠，造成應(yīng)力集中引起斷裂。要求對(duì)斷裂的螺栓進(jìn)行分析，說(shuō)明為什么這根螺栓發(fā)生斷裂，對(duì)斷裂螺栓的金相組織進(jìn)行分析，斷裂螺栓金相組織1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因由圖可見(jiàn)，螺栓的組織并非調(diào)質(zhì)處理后的組織。也就是說(shuō)，經(jīng)過(guò)熱處理后螺栓沒(méi)有得到正確的組織，導(dǎo)致性能達(dá)不到要求引起斷裂。為什么會(huì)出現(xiàn)這種情況？對(duì)材料技能型分析結(jié)果見(jiàn)

，可見(jiàn)斷裂螺栓并非40Cr材料而是類(lèi)似50鋼。因?yàn)榇阃感圆粔?，所以淬火時(shí)沒(méi)能得到正確的組織。螺栓材料化學(xué)成分分析結(jié)果（質(zhì)量%）化學(xué)元素CCrMo含量/%0.550.0750.02040Cr材料標(biāo)準(zhǔn)值0.37～0.450.8～0.10應(yīng)當(dāng)說(shuō)明的是：在實(shí)際失效零部件中，由于這種原因引起的失效確實(shí)時(shí)有發(fā)生。再加上進(jìn)行失效分析的技術(shù)人員往往是材料專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員，所以往往一遇到失效問(wèn)題，就認(rèn)為一定是材料內(nèi)部出問(wèn)題，從這點(diǎn)出發(fā)設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案、尋找失效分析原因，但是如前面所論述，材料內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)原因造成的失效，僅僅是引起失效的一種情況。依據(jù)尋找內(nèi)部組織缺陷的思路進(jìn)行失效分析，并不是科學(xué)的分析思路。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因表1-3

在一些工程工業(yè)中調(diào)查的失效起因的比例表1-4

航空零件失效起因的比例（實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)）起 因比例/%保養(yǎng)不恰當(dāng)44安裝錯(cuò)誤17設(shè)計(jì)缺陷16不正確的維修損壞10材料缺陷7未定原因8起 因比例/%材料選擇不恰當(dāng)38裝配錯(cuò)誤15錯(cuò)誤的熱處理15機(jī)械設(shè)計(jì)錯(cuò)誤11未預(yù)見(jiàn)的操作條件8環(huán)境控制不夠充分6不恰當(dāng)?shù)幕蛉鄙俦O(jiān)測(cè)與質(zhì)量控制5材料混雜2表1-5

在一些工程工業(yè)中調(diào)查的失效原因的比例表1-6

航空零件失效原因的比例原 因比例/%腐蝕29疲勞25脆性斷裂16過(guò)載11應(yīng)力腐蝕/腐蝕疲勞/氫脆6蠕變3磨損、擦傷、沖刷3原 因比例/%疲勞61過(guò)載18應(yīng)力腐蝕8過(guò)度磨損70腐蝕3高溫氧化2應(yīng)力破壞11.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因從上述分析及表1-3～表1-6可得到以下基本概念：（1）失效分析是一個(gè)多學(xué)科綜合性的技術(shù)問(wèn)題，這就決定了對(duì)于一些大型復(fù)雜設(shè)備的失效問(wèn)題，為獲得正確結(jié)論，必須是多學(xué)科的技術(shù)人員聯(lián)合在一起對(duì)失效原因進(jìn)行全面分析。（2）由表1-3可見(jiàn)，由于材料、熱處理問(wèn)題引起的失效所占比例高達(dá)55%，所以對(duì)于零部件的失效問(wèn)題往往是具有材料專(zhuān)業(yè)學(xué)術(shù)背景的技術(shù)人員進(jìn)行分析。但是對(duì)于材料專(zhuān)業(yè)的技術(shù)人員一定要牢記，由于材料與熱處理問(wèn)題引起的失效所占比例雖然較高，但絕不是全部。在進(jìn)行失效分析時(shí)必須要考慮其他可能原因，必須掌握其他相關(guān)學(xué)科必要的基礎(chǔ)知識(shí)，必須合理設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案，否則難以獲得正確的結(jié)果。這些交叉學(xué)科知識(shí)構(gòu)成的基礎(chǔ)就成為對(duì)零部件進(jìn)行失效分析的人員必須掌握的基礎(chǔ)知識(shí)?；A(chǔ)知識(shí)應(yīng)包括哪些內(nèi)容呢？不同學(xué)者會(huì)有各自的觀點(diǎn)，本書(shū)根據(jù)筆者的認(rèn)識(shí)在第2章進(jìn)行了歸納。（3）對(duì)于生產(chǎn)實(shí)踐中的失效問(wèn)題大致可以分成零部件的失效與復(fù)雜設(shè)備的故障。對(duì)于這兩類(lèi)不同的失效問(wèn)題采用的分析方法一般是不同的。對(duì)于一般零部件的失效問(wèn)題往往采用常規(guī)實(shí)驗(yàn)程序進(jìn)行，而對(duì)于大型復(fù)雜設(shè)備的故障問(wèn)題一般要采用系統(tǒng)工程的方法進(jìn)行分析，其中典型的方法是故障樹(shù)分析方法。1.1 失效出現(xiàn)的宏觀原因（4）斷裂問(wèn)題是人們最關(guān)注的失效問(wèn)題，這是本書(shū)的重點(diǎn)分析內(nèi)容。根據(jù)表1-3與表1-4可知，疲勞斷裂與腐蝕失效又是失效問(wèn)題中最引人注意的問(wèn)題，為突出教學(xué)重點(diǎn)，本節(jié)以疲勞斷裂分析作為教學(xué)重點(diǎn)，以此為突破口培養(yǎng)使初學(xué)者掌握失效分析技術(shù)的技能。至于腐蝕問(wèn)題一般有專(zhuān)門(mén)的課程進(jìn)行教學(xué)，本書(shū)不再做論述。（5）典型機(jī)械零部件服役條件與常見(jiàn)失效方式典型機(jī)械零部件服役條件與常見(jiàn)失效方式零部件類(lèi)型服役條件常見(jiàn)失效方式材料選擇的一般標(biāo)準(zhǔn)（主要失效抗力指標(biāo)）負(fù)荷種類(lèi)及速度應(yīng)力狀態(tài)磨損溫度介質(zhì)振動(dòng)過(guò)量變形塑斷脆斷表面變化尺寸變化疲勞咬蝕腐蝕疲勞蠕變腐蝕應(yīng)力腐蝕靜疲勞沖擊拉壓彎扭切接觸緊固螺栓△△△△△△△△△疲勞、屈服及剪切強(qiáng)度軸類(lèi)零件△△△△△△△△△△靜強(qiáng)度、彎、扭復(fù)合疲勞強(qiáng)度齒輪△△△△△△△△△△彎曲和接觸疲勞耐磨性；心部屈服強(qiáng)度螺旋彈簧△△△△△△△△扭轉(zhuǎn)疲勞、彈性極限、受扭彈簧是彎曲疲勞板彈簧△△△△△△彎曲疲勞、彈性極限滑動(dòng)軸承△△△△△△△△△△△△疲勞、耐磨性、耐蝕性滾動(dòng)軸承△△△△△△△△△△△△接觸疲勞、耐磨性、耐蝕性曲軸△△△△△△△△△△△扭轉(zhuǎn)、彎曲疲勞耐磨性、循環(huán)韌性連桿△△△△△△拉壓疲勞活塞銷(xiāo)△△△△△△△疲勞強(qiáng)度、耐磨性連桿螺栓△△△△△△拉壓疲勞、缺口偏斜拉伸強(qiáng)度、剪切和屈服強(qiáng)度汽輪機(jī)葉片△△△△△△△△△△△△高溫彎曲疲勞、蠕變及持久強(qiáng)度、耐蝕性、循環(huán)韌性失效分析的基本方法1.2.1 常規(guī)分析方法1.

現(xiàn)場(chǎng)了解情況并收集背景材料盡可能地詳細(xì)了解失效零部件的歷史資料，如零部件設(shè)計(jì)、使用情況、失效的數(shù)量、是第一次設(shè)計(jì)使用就出現(xiàn)問(wèn)題，還是原來(lái)使用沒(méi)有出現(xiàn)問(wèn)題，僅是本次出現(xiàn)問(wèn)題。并且盡可能對(duì)失效現(xiàn)場(chǎng)情況進(jìn)行詳細(xì)拍照。例如，很多情況下制造方都懷疑是由于原材料有冶金缺陷、夾雜物過(guò)多等內(nèi)部質(zhì)量問(wèn)題造成零部件失效。這時(shí)可以通過(guò)了解失效零件的數(shù)量來(lái)進(jìn)行初步的判斷。如果一批原材料制造的同種零件中，僅少數(shù)幾件發(fā)生破壞，一般可初步判斷與原材料冶金質(zhì)量關(guān)系不大。因?yàn)槿绻@批原材料存在嚴(yán)重質(zhì)量問(wèn)題（如成分不對(duì)、大量冶金缺陷），一般是會(huì)分布在整批材料中，缺陷僅集中在材料某一個(gè)部位的概率并不大，所以應(yīng)該有很多零件均會(huì)受到原材料的影響，造成發(fā)生破壞零件的數(shù)量就不會(huì)太少。1.2.1 常規(guī)分析方法2.

肉眼或放大鏡詳細(xì)觀察斷裂現(xiàn)象觀察失效零部件的總體形貌并做詳細(xì)記錄。如果是斷裂零部件，則要詳細(xì)觀察斷口、斷裂位置、斷裂位置上是否有特征（如在臺(tái)階部位等）、斷裂位置與服役狀態(tài)下應(yīng)力的關(guān)系等?！纠?-7】 斷裂位置與材料內(nèi)部缺陷的關(guān)系。某大型設(shè)備中安裝了一批固定零部件的螺栓，在使用過(guò)程中發(fā)生斷裂，一共斷裂了9件。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)螺栓發(fā)生斷裂的位置基本一致，均在距離螺帽頂端一定距離的部位，根據(jù)這個(gè)現(xiàn)象初步判斷，螺栓的斷裂不大可能是材料內(nèi)部的組織缺陷問(wèn)題，這是因?yàn)椴豢赡苊款w螺栓中的材料缺陷均集中在同一個(gè)位置上。因此，斷裂位置的確認(rèn)對(duì)于分析原因、設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案有重要的啟示作用。將斷裂成兩段的兩顆螺栓斷口復(fù)原的螺栓形狀照片（測(cè)定斷裂位置基本相同）1.2.1 常規(guī)分析方法3.

了解零部件在整個(gè)機(jī)構(gòu)中的作用及受力分析零部件發(fā)生失效往往是在力作用下發(fā)生的，因此應(yīng)該盡可能根據(jù)零件的形狀與服役條件對(duì)零部件受力情況進(jìn)行分析，至少要定性分析。目的是確定零件的受力狀態(tài)，判斷零件是在何種應(yīng)力作用下失效的。首先需要了解零部件在機(jī)構(gòu)中的作用。如果失效不是在零件受力最大的部位，就有理由懷疑材料的組織可能存在問(wèn)題，或者在服役過(guò)程中受到不應(yīng)有的外力作用。對(duì)于一些大型構(gòu)件破壞往往需要采用有限元等方法對(duì)構(gòu)件各個(gè)部位的受力情況進(jìn)行定量分析，將各個(gè)部位受到的應(yīng)力值與材料性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)比分析，從中得到關(guān)于零部件失效原因的重要信息。在一些情況下定量分析可以直接獲得失效原因，即使不能獲得原因，對(duì)后面的分析也有直接的指導(dǎo)作用。在很多情況下，可以通過(guò)斷口宏觀分析、斷裂位置分析，對(duì)零部件的受力情況得到定性概念。1.2.1 常規(guī)分析方法【例1-8】 根據(jù) 中斷裂螺栓的變形情況進(jìn)行受力分析。對(duì)于螺栓類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)件而言，一般情況下是按照僅受拉應(yīng)力進(jìn)行設(shè)計(jì)的。但是從圖1-7可見(jiàn)，將螺栓斷口對(duì)合后，螺栓發(fā)生彎曲變形。所以有理由認(rèn)為在本案例中螺栓在服役狀態(tài)下，螺栓除受到拉應(yīng)力作用，還受到了彎曲載荷。至于彎曲載荷是一次性作用還是交變載荷，還需要作進(jìn)一步分析。將斷裂成兩段的兩顆螺栓斷口復(fù)原的螺栓形狀照片（測(cè)定斷裂位置基本相同）1.2.1 常規(guī)分析方法【例1-9】 根據(jù)斷口進(jìn)行受力分析。大型設(shè)備中M30螺栓發(fā)生斷裂，斷裂位置與斷口形貌由圖可見(jiàn)，螺栓斷裂后并沒(méi)有發(fā)生彎曲變形，說(shuō)明螺栓在服役狀態(tài)下受到的拉應(yīng)力基本是垂直于斷口的，即作用力是平行螺栓軸線的。這種作用力是一次性作用力還是交變載荷？從斷口上可以得到初步判斷。（a）斷裂位置 （b）宏觀斷口形貌M30螺栓斷裂情況1.2.1 常規(guī)分析方法材料化學(xué)成分分析目的是：在認(rèn)定選材合理的前提下，判斷實(shí)際材料成分與標(biāo)準(zhǔn)要求的成分是否吻合。一般來(lái)說(shuō)，如果原材料化學(xué)成分不符合技術(shù)要求，往往認(rèn)為是失效的主要原因，供貨商要承擔(dān)責(zé)任。對(duì)失效的零部件進(jìn)行性能測(cè)定目的是：與要求的性能指標(biāo)進(jìn)行對(duì)照，判斷是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求。在可能的情況下應(yīng)盡量在出現(xiàn)問(wèn)題的部位附近截取樣品（如斷口附近、裂紋附近等）。問(wèn)題是選擇何種性能進(jìn)行測(cè)試？測(cè)試的依據(jù)是什么？主要根據(jù)斷裂機(jī)制進(jìn)行確定。如果判斷其斷裂屬于脆性斷裂，一般要測(cè)定零部件的沖擊性能，判斷是否由于材料韌性低造成斷裂？如果判斷其斷裂屬于疲勞斷裂，就需要測(cè)定零部件的疲勞性能。1.2.1 常規(guī)分析方法金相組織分析目的是：判斷是否與要求的組織吻合，有時(shí)要配合掃描電鏡甚至透射電鏡進(jìn)行分析。這一步是非常關(guān)鍵的一步，也往往是最難的一步，許多初學(xué)者由于沒(méi)有掌握正確的分析方法及經(jīng)驗(yàn)不足，很難對(duì)金相組織進(jìn)行正確的判斷。金相組織分析屬于失效分析必備的基礎(chǔ)知識(shí)，在第2章中將專(zhuān)門(mén)介紹。斷口微觀形貌分析與組織的電鏡分析采用掃描電鏡對(duì)斷口進(jìn)行分析，目的是根據(jù)斷口上顯示的微觀形貌，進(jìn)一步明確斷裂的機(jī)理。有時(shí)采用光學(xué)顯微鏡難以確定材料內(nèi)部微觀組織，此時(shí)可以采用掃描電鏡甚至透射電鏡對(duì)材料微觀組織進(jìn)行分析。1.2.1 常規(guī)分析方法目的是：對(duì)失效原因及斷裂機(jī)理進(jìn)行驗(yàn)證。在一般失效分析中不會(huì)進(jìn)行。在制定試驗(yàn)方案時(shí)務(wù)必明確每一步的目的，應(yīng)該說(shuō)明的是生產(chǎn)實(shí)踐中很多失效分析并不是均要完整地進(jìn)行上述全部步驟，有些情況下僅做其中的幾個(gè)步驟就可以判斷出失效的原因。但是在一般失效分析中，1、2、3、5這幾個(gè)步驟往往是必須要做的。8.

在模擬條件下進(jìn)行失效模擬實(shí)驗(yàn)1.2.2 系統(tǒng)分析方法一些復(fù)雜設(shè)備系統(tǒng)發(fā)生失效，其失效因素一定會(huì)非常多，根據(jù)系統(tǒng)工程的原理，將系統(tǒng)分析方法應(yīng)用于失效分析，其中最典型的方法是故障樹(shù)分析法，又稱(chēng)為FTA[4－5]。該方法的特點(diǎn)是：通過(guò)對(duì)造成系統(tǒng)失效的各類(lèi)因素進(jìn)行分析，畫(huà)出框圖，從而確定系統(tǒng)失效原因的各種可能的組合或發(fā)生概率的。該方法是用特定符號(hào)將可能導(dǎo)致失效發(fā)生的各種因素，沿著發(fā)生經(jīng)過(guò)將這些因素聯(lián)系起來(lái)，用一種樹(shù)的形式表現(xiàn)出來(lái)。從已經(jīng)發(fā)生的事故出發(fā)逆著失效發(fā)生過(guò)程進(jìn)行分析。該過(guò)程與編寫(xiě)計(jì)算機(jī)程序時(shí)首先畫(huà)出一個(gè)框圖有類(lèi)似之處。眾所周知，一個(gè)復(fù)雜設(shè)備投入使用一般會(huì)經(jīng)歷以下生產(chǎn)過(guò)程：整體設(shè)計(jì)（結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、力學(xué)分析）→零部件設(shè)計(jì)（形狀尺寸設(shè)計(jì)、材料選擇、加工方法與各類(lèi)熱處理選擇）→零部件加工（材料購(gòu)買(mǎi)、熱加工、熱處理、冷加工等）→零部件組裝成設(shè)備→投入使用1.2.2 系統(tǒng)分析方法如果該設(shè)備在使用過(guò)程中發(fā)生失效，則上述各個(gè)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)均有可能存在潛在事故發(fā)生的原因，因此可沿著與制造過(guò)程相反的方向進(jìn)行分析。故障樹(shù)建立方法如下：第一級(jí)：頂事件，即失效事故。需根據(jù)情況進(jìn)行定義，實(shí)際上是對(duì)失效分析的目的進(jìn)行定位。第二級(jí)：導(dǎo)致頂事件發(fā)生的直接原因的故障事件，并且將它們與頂事件間的邏輯關(guān)系用符號(hào)連接起來(lái)。第三級(jí)：導(dǎo)致二級(jí)故障發(fā)生的直接原因的故障事件，并且將它們與二級(jí)事件間的邏輯關(guān)系用符號(hào)連接起來(lái)。如此繼續(xù)，一直到底事件為止（一般是追到整體設(shè)計(jì)）。對(duì)于復(fù)雜系統(tǒng)，也可以將頂事件下的一級(jí)或二級(jí)故障樹(shù)建成幾個(gè)子故障樹(shù)進(jìn)行分析，最后進(jìn)行綜合，這樣有時(shí)可以使分析簡(jiǎn)化。1.2.2 系統(tǒng)分析方法建立故障樹(shù)時(shí)一定會(huì)摻雜建樹(shù)者的觀點(diǎn)，對(duì)于同一失效問(wèn)題建立的故障樹(shù)也會(huì)有所不同，因此應(yīng)該邀請(qǐng)各方面技術(shù)人員共同參加討論。建立故障樹(shù)的目的是反映出系統(tǒng)故障的內(nèi)在聯(lián)系，并且形象地表達(dá)出來(lái)。建樹(shù)要注意以下幾點(diǎn)：（1）充分了解設(shè)備的使用過(guò)程與設(shè)計(jì)原理（尤其是關(guān)鍵零部件的受力分析），這樣才能選準(zhǔn)建樹(shù)的流程。（2）充分了解故障的宏觀現(xiàn)象，這樣才能合理確定出頂層事件。（3）對(duì)系統(tǒng)中的邏輯關(guān)系及條件必須分析清楚，不能有邏輯混亂與條件矛盾。（4）故障事件定義要準(zhǔn)確。1.2.2 系統(tǒng)分析方法對(duì)于一個(gè)復(fù)雜的設(shè)備出現(xiàn)故障，很多情況下通過(guò)宏觀分析可以確定出是由于哪些主要零部件出現(xiàn)問(wèn)題而導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)出現(xiàn)故障，所以歸結(jié)于一些主要零部件的分析。因此，對(duì)于主要零部件的正確建樹(shù)就顯得非常重要。根據(jù)1.1節(jié)中失效可能出現(xiàn)的各類(lèi)宏觀原因，一般可從以下幾個(gè)方面考慮FAT上的分枝建樹(shù)：（1）使用過(guò)程中的問(wèn)題：充分了解零部件在服役條件下的受力情況與服役條件，最好是有定量數(shù)據(jù)，至少要有定量概念。是受到交變載荷還是純拉、純扭？是低溫下使用還是常溫？是否有殘余應(yīng)力的作用？是否有錯(cuò)誤操作問(wèn)題？是否有腐蝕環(huán)境沒(méi)有充分考慮到（如要求在潤(rùn)滑條件下使用，但是實(shí)際情況沒(méi)有加潤(rùn)滑油）？對(duì)于這些問(wèn)題的重要性必須要有充分認(rèn)識(shí)。（2）結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題：失效主要表現(xiàn)為斷裂、過(guò)度變形與表面損傷。這些問(wèn)題的出現(xiàn)均與零部件在服役過(guò)程中受應(yīng)力有密切關(guān)系。因此，要與設(shè)計(jì)人員配合詳細(xì)分析該零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)的依據(jù)，是否進(jìn)行過(guò)詳細(xì)的受力分析計(jì)算？這種計(jì)算是否合理、全面？在設(shè)計(jì)時(shí)除考慮零部件在服役條件下的應(yīng)力外，是否考慮加工過(guò)程中的殘余應(yīng)力、裝配應(yīng)力等。同時(shí)對(duì)零部件的形狀改變引起的應(yīng)力集中也要充分考慮。1.2.2 系統(tǒng)分析方法序號(hào)符號(hào)名 稱(chēng)說(shuō) 明1要說(shuō)明的故障（頂事件）最終要說(shuō)明的故障2或基本事件（底事件）發(fā)生故障的根本原因，即可以單獨(dú)獲得發(fā)生故障的概率的基本現(xiàn)象（底事件）。有時(shí)用虛線，表示人為錯(cuò)誤引起的底事件3故障現(xiàn)象（故障事件）由底事件到頂事件中間的故障現(xiàn)象（事件）。其上、下應(yīng)與邏輯門(mén)連接（3）選材、加工工藝及材質(zhì)存在的問(wèn)題：主要考慮選材是否合理？材料的性能及尺寸等能否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求？在加工過(guò)程中是否會(huì)引起材質(zhì)變化？材料最終的組織結(jié)構(gòu)是否達(dá)到要求？（4）裝配上存在問(wèn)題：在裝配過(guò)程中是否引起額外應(yīng)力？是否損傷工件等。在上述資料盡可能充分的條件下，需要認(rèn)真分析重點(diǎn)研究哪個(gè)分支。建立故障樹(shù)所用符號(hào)見(jiàn)表。故障樹(shù)中所用符號(hào)及其含義1.2.2 系統(tǒng)分析方法續(xù)表序號(hào)符號(hào)名 稱(chēng)說(shuō) 明4“與”門(mén)輸入現(xiàn)象A、B、C同時(shí)存在時(shí)，輸入現(xiàn)象D才必然出現(xiàn)的邏輯乘法5“或”門(mén)輸入現(xiàn)象A、B中，無(wú)論哪一個(gè)存在時(shí)，輸出現(xiàn)象C均能出現(xiàn)的邏輯加法6“禁”門(mén)表示只有因素B存在時(shí)，A現(xiàn)象的輸入才能導(dǎo)致C的輸出7優(yōu)先與門(mén)輸入事件中某一事件要優(yōu)先輸入，輸出事件才能發(fā)生，

圖例中B

要優(yōu)先輸入。B∩A或C，D8相依與門(mén)輸入事件A、B互相依存，A輸入時(shí)B必然發(fā)生，則頂事件就發(fā)生，稱(chēng)之相依與門(mén)9不發(fā)展事件不再發(fā)展的事件1.2.2 系統(tǒng)分析方法【例1-10】 建立柴油機(jī)“機(jī)破”事故分析的FTA圖。某機(jī)務(wù)段配屬的DF4型內(nèi)燃機(jī)車(chē)，經(jīng)過(guò)大修后僅運(yùn)行8萬(wàn)千米就在運(yùn)行期間發(fā)生“機(jī)破”事故。此事故涉及鐵路安全運(yùn)行問(wèn)題，有關(guān)部門(mén)提出必須要進(jìn)行認(rèn)真分析，其目的是探明事故發(fā)生的具體原因，杜絕今后出現(xiàn)類(lèi)似事故。同時(shí)也要明確事故的責(zé)任主體單位。要建立FTA圖，首先需要組成一個(gè)分析團(tuán)隊(duì)，包括柴油機(jī)專(zhuān)業(yè)教師、材料專(zhuān)業(yè)教師、柴油機(jī)制造設(shè)計(jì)師、柴油機(jī)大維修廠工程師、提供各類(lèi)配件的企業(yè)的工程師。為了進(jìn)行失效分析，的柴油機(jī)為四沖程柴油機(jī)，共16缸，采用廢氣渦輪增壓。其基本工作原理與一般的柴油機(jī)類(lèi)同。1—?dú)飧祝?—活塞；3—連桿；4—曲軸；5—?dú)飧最^；6—進(jìn)氣門(mén)；7—噴油嘴；8—排氣門(mén)。柴油機(jī)結(jié)構(gòu)1.2.2 系統(tǒng)分析方法團(tuán)隊(duì)成員共同到現(xiàn)場(chǎng)了解詳細(xì)狀況，拍攝各種照片，獲得的觀察結(jié)果如下：（1）活塞下穿4顆連接螺栓均折斷，見(jiàn)圖（a）。其中2顆螺栓（編號(hào)為DJ96093888、DJ9609311）斷口齊平，另一顆編號(hào)為DJ96093的螺栓彎曲變形，頭部有明顯擠傷痕跡。編號(hào)為DJ96093888的螺栓斷口邊緣能看到因高溫受熱產(chǎn)生的藍(lán)色痕跡，見(jiàn)圖（b）。圖中發(fā)生彎曲的下穿螺栓顯然只有受到橫向力作用才會(huì)發(fā)生彎曲。所以在4顆活塞下穿螺栓中，發(fā)生彎曲的2顆螺栓應(yīng)該是后發(fā)生斷裂的。而2顆沒(méi)有彎曲、斷口平齊的下穿螺栓應(yīng)該是先發(fā)生斷裂的。（2）兩顆連桿螺栓均斷裂，其中CS96.03-119-1螺栓斷口較平齊，而CS96.03-11-2螺栓有明顯頸縮現(xiàn)象，見(jiàn)圖（c）。顯然發(fā)生明顯頸縮現(xiàn)象的連桿螺栓應(yīng)該是后斷裂的，而斷口平齊的連桿螺栓是先發(fā)生斷裂的。（3）連桿彎曲嚴(yán)重，彎曲方向與連桿運(yùn)動(dòng)平面垂直，在彎曲處有明顯受擠壓變形后留下的痕跡，邊緣已變成藍(lán)色，見(jiàn)圖（d）、（e）。1.2.2 系統(tǒng)分析方法（4）活塞頂裙分離，裙部碎成多塊，其中兩塊較大，上面分布著4個(gè)螺栓孔及定位銷(xiāo)孔。4個(gè)螺栓孔內(nèi)基本保持圓形，在孔內(nèi)上部可看到螺紋，見(jiàn)圖（f）。鋼頂發(fā)生嚴(yán)重變形，有明顯受擠壓痕跡，且冷卻腔表面已變成藍(lán)色，見(jiàn)圖（g）。鋼頂側(cè)面有受摩擦而留下痕跡，見(jiàn)圖1-10（i）。鋼頂內(nèi)殘留下的4顆斷裂螺栓中，有3顆（平齊剪切斷口）用手撥動(dòng)可使其轉(zhuǎn)動(dòng)。（5）活塞裙碎片上可發(fā)現(xiàn)距活塞銷(xiāo)擋環(huán)槽約4.5

mm與13.5

mm處有兩道較深的磨痕。（6）活塞銷(xiāo)端部有明顯碰傷痕跡，外圓表面凸棱有手感但沒(méi)有發(fā)現(xiàn)表面有燒傷變色痕跡。（7）曲軸彎曲嚴(yán)重，最大徑向跳動(dòng)可達(dá)0.48

mm，軸頸磨損最嚴(yán)重處出現(xiàn)凸棱，且小了0.2m。連桿軸頸未貼附減摩合金和燒損變色。（8）缸蓋受到嚴(yán)重撞擊，見(jiàn)圖（k），兩個(gè)排氣門(mén)對(duì)應(yīng)于避伐坑內(nèi)邊緣處有明顯碰撞痕跡。兩個(gè)排氣門(mén)比兩個(gè)進(jìn)氣門(mén)扭曲嚴(yán)重。1.2.2 系統(tǒng)分析方法（a）斷裂的4顆活塞下穿螺栓

（b）DJ96093888活塞下穿螺栓斷口（c）斷裂的連桿螺栓（d）連桿擠彎

（e）連桿受擠磨痕（f）鋁裙螺栓孔內(nèi)螺紋（g）鋁裙全部破碎（h）鋼頂冷卻腔表面變成藍(lán)色（i）鋼頂一側(cè)的邊緣受摩擦留下痕跡（j）鋁裙上留下的磨痕照片（k）缸蓋破損宏觀照片1.2.2 系統(tǒng)分析方法在上述工作的基礎(chǔ)上，建立FTA圖，（1）頂事件是柴油機(jī)“機(jī)破”，它可能與設(shè)計(jì)、選材、使用、裝配等四個(gè)第二級(jí)事件有關(guān)，用“或”門(mén)與頂事件相連。團(tuán)隊(duì)人員一致認(rèn)為，此次“機(jī)破”事故與設(shè)計(jì)、使用過(guò)程無(wú)關(guān)，依據(jù)是：這種類(lèi)型柴油機(jī)數(shù)以千計(jì)使用多年均無(wú)問(wèn)題，說(shuō)明設(shè)計(jì)不會(huì)導(dǎo)致事故。此類(lèi)機(jī)車(chē)自動(dòng)化程度較高，操作均是按照規(guī)程進(jìn)行，即使有誤操作也不會(huì)導(dǎo)致“機(jī)破”。因此，將設(shè)計(jì)與操作定為“不發(fā)展事件”。（2）在第二級(jí)事件“零部件斷裂”中，團(tuán)隊(duì)人員一致認(rèn)為，如果出問(wèn)題只能在柴油機(jī)的“運(yùn)動(dòng)件”上，其中包括活塞組、連桿組、曲軸及其附件、半剛性聯(lián)軸器、減振器等。其中曲軸及其附件、半剛性聯(lián)軸器、減振器與本次事故無(wú)關(guān)，所以與“零部件斷裂”有關(guān)的第三級(jí)事件包括連桿斷裂、鋁裙斷裂、連桿螺栓斷裂、活塞下穿螺栓斷裂等四種零部件?！?.2.2 系統(tǒng)分析方法柴油機(jī)“機(jī)破”事故分析的FTA圖失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向失效分析課程往往是為材料專(zhuān)業(yè)學(xué)生開(kāi)設(shè)的，對(duì)于材料專(zhuān)業(yè)的學(xué)生，在初次接觸到失效分析課題時(shí)，往往存在一種錯(cuò)誤認(rèn)識(shí)，認(rèn)為失效分析目的就是找出材料內(nèi)部的組織缺陷。實(shí)際在很多情況下這并非失效分析的主要目的。失效分析的主要目的可歸納為以下幾點(diǎn)：（1）判斷零部件失效機(jī)理，包括斷裂機(jī)理（韌性斷裂、疲勞斷裂等）、磨損失效、變形機(jī)理等，為避免發(fā)生類(lèi)似事故奠定最重要的基礎(chǔ)。（2）在明確失效機(jī)理的基礎(chǔ)上，判斷引起失效的應(yīng)力方向和應(yīng)力類(lèi)型。最好是能夠定量分析出其應(yīng)力值，這點(diǎn)是非常關(guān)鍵的分析目的。只有在清楚了解引起失效的各類(lèi)應(yīng)力（服役應(yīng)力、附加應(yīng)力及殘余應(yīng)力等）情況下才有可能提出正確的改進(jìn)措施。（3）對(duì)比制備零部件材料的力學(xué)性能與引起失效的應(yīng)力值，判斷失效原因。（4）分析是否因?yàn)椴牧蟽?nèi)部存在組織結(jié)構(gòu)缺陷，降低了材料應(yīng)具備的性能導(dǎo)致失效。1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向在進(jìn)行失效分析工作時(shí)必須注意以下幾點(diǎn)：（1）首先要詳細(xì)分析零部件的受力狀態(tài)，最好定量分析，至少是定性分析（包括殘余應(yīng)力狀態(tài)）。尤其注意服役狀態(tài)的應(yīng)力方向與失效工件間的關(guān)系，如裂紋是否沿最大應(yīng)力方向擴(kuò)展等。（2）分析在服役過(guò)程中哪些因素可能造成受力狀態(tài)的不正常，而產(chǎn)生非正常的應(yīng)力。（3）分析零部件在加工過(guò)程中，哪些工藝會(huì)產(chǎn)生較大的應(yīng)力（如鍛造應(yīng)力、淬火應(yīng)力等）及殘余應(yīng)力狀態(tài)。尤其注意分析殘余應(yīng)力與失效工件間的關(guān)系。（4）在上面基礎(chǔ)上再進(jìn)行材料成分、組織結(jié)構(gòu)等分析。1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向【例1-11】 鋼腳件裂紋分析。鋼腳件是電力系統(tǒng)用來(lái)架設(shè)電線的一個(gè)部件，材料采用45鋼制作，熱處理工藝如下：鍛造→正火→淬火→回火在一次生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn)鋼腳件中出現(xiàn)裂紋，需要分析原因。分析人員開(kāi)始希望從材料缺陷角度尋找原因，分析了材料中的夾雜物，（a）硫化物夾雜（b）硫化物＋氧化物＋硅酸鹽＋鋁化物夾雜鋼腳件中的夾雜物1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向在材料中確實(shí)發(fā)現(xiàn)存在較多夾雜物，已經(jīng)超過(guò)標(biāo)準(zhǔn)要求。開(kāi)始認(rèn)為是由于夾雜物問(wèn)題引起淬火時(shí)裂紋。根據(jù)這個(gè)結(jié)果廠方采用夾雜物少的45鋼制作鋼腳件，同樣發(fā)生裂紋。后改變分析思路，首先詳細(xì)觀察裂紋形貌，裂紋源處于工件的次表面。結(jié)合工件的生產(chǎn)工藝分析應(yīng)力從何而來(lái)？從生產(chǎn)工藝可見(jiàn)裂紋產(chǎn)生只有可能出現(xiàn)在鍛造與淬火過(guò)程。由于裂紋兩側(cè)沒(méi)有脫碳層與夾雜物，說(shuō)明是在淬火過(guò)程中由于淬火應(yīng)力過(guò)大造成開(kāi)裂。淬火時(shí)由組織應(yīng)力與熱應(yīng)力構(gòu)成合成應(yīng)力，裂紋源處于次表層，說(shuō)明合成應(yīng)力最大值處于次表層。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分析思路改變?yōu)榧芯Ψ治觯簽槭裁创慊饡r(shí)會(huì)產(chǎn)生超常規(guī)的合成應(yīng)力？鋼腳件裂紋形貌照片1.3 失效分析的主要目的與值得注意的兩種傾向詳細(xì)了解淬火工藝后發(fā)現(xiàn)：廠方淬火時(shí)采用箱式爐加熱淬火，為提高工效，淬火保溫時(shí)間較短，造成心部沒(méi)有完全奧氏體化就淬火，減少組織應(yīng)力作用，使合成應(yīng)力最大值處于次表面，同時(shí)應(yīng)力值超過(guò)材料強(qiáng)度極限斷裂。因此，建議廠方延長(zhǎng)保溫時(shí)間，問(wèn)題便可得到解決。最后將上述分析方法進(jìn)行總結(jié)，鋼腳件裂紋形貌照片分析方法的名稱(chēng)分析方法的功能采用該方法的目的在使用中要求掌握的能力在失效分析中使用的頻率材料宏觀冶金質(zhì)量與成分分析檢查材料的冶金質(zhì)量與化學(xué)成分判斷是否達(dá)到要求的質(zhì)量樣品制備技術(shù)，腐蝕液的選擇，

標(biāo)準(zhǔn)圖譜對(duì)比較高斷裂現(xiàn)象宏觀分析分析斷裂位置、裂紋形貌、斷口宏觀形貌等判斷裂紋源位置、斷裂性質(zhì)，為進(jìn)一步深入分析奠定基礎(chǔ)宏觀斷口分析技能很高金相顯微鏡（OM）觀察材料的顯微組織形貌判斷是否達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求，判斷裂紋的走向，判斷處理工藝制備樣品的能力及組織分辨能力很高掃

描

電

子

顯

微

鏡（SEM）觀察破斷零件的斷口；配合能譜裝置，分析斷口上成分，觀察組織判斷斷裂機(jī)理；

進(jìn)一步分析微觀組織各類(lèi)典型斷口形貌；

各類(lèi)微觀組織的特征較高透

射

電

子

顯

微

鏡（TEM）觀察微觀區(qū)域的組織與結(jié)構(gòu)判斷微區(qū)的組織與結(jié)構(gòu)對(duì)零件失效的影響熟悉原理；

會(huì)進(jìn)行結(jié)構(gòu)的標(biāo)定一般力學(xué)性能測(cè)定測(cè)定零件的各類(lèi)機(jī)械性能判斷失效零件的性能是否滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求明確所測(cè)定性能指標(biāo)的物理意義很高外載荷定性分析確定應(yīng)力類(lèi)型及最大應(yīng)力的部位與應(yīng)力方向分析斷裂位置與最大應(yīng)力、應(yīng)力類(lèi)型的關(guān)系為斷裂機(jī)理分析提供依據(jù)，

掌握材料力學(xué)一般知識(shí)很高加工過(guò)程中應(yīng)力分析確定最大應(yīng)力發(fā)生的部位及方向分析應(yīng)力方向與裂紋斷口的關(guān)系掌握應(yīng)力產(chǎn)生原理很高有限元方法定量計(jì)算關(guān)鍵部位的應(yīng)力及變形數(shù)值判斷零件工作狀態(tài)下應(yīng)力具體值及對(duì)失效的影響熟悉有限元理論，會(huì)使用大型軟件應(yīng)該很高，但是目前很少失效分析的進(jìn)展1.4.1 失效的定量分析技術(shù)目前對(duì)于零部件的失效分析，主要依靠材料學(xué)、力學(xué)、斷口學(xué)等基礎(chǔ)知識(shí)，結(jié)合裂紋分析、金相組織分析、殘余應(yīng)力分析等方法進(jìn)行經(jīng)驗(yàn)性的分析，主要是定性分析，獲得的結(jié)論一般均是定性的結(jié)論。雖然定性分析能解決大量的實(shí)際問(wèn)題，但是失效工作中定量分析一直是人們夢(mèng)寐以求的。近年來(lái)我國(guó)學(xué)者為對(duì)疲勞斷裂過(guò)程進(jìn)行定量分析，建立了金屬疲勞斷口數(shù)學(xué)物理模型[7]，根據(jù)斷口形貌定量反推原始疲勞質(zhì)量，推算疲勞壽命與疲勞應(yīng)力[8]取得很大進(jìn)展。在對(duì)零部件進(jìn)行失效分析過(guò)程中，應(yīng)盡可能利用這些成果進(jìn)行定量分析，即使有不完善、甚至不準(zhǔn)確之處，也是應(yīng)該努力的發(fā)展方向。本書(shū)第3章將對(duì)疲勞斷裂定量分析進(jìn)行初步論述。1.4.2 新材料的失效分析由于金屬材料在工業(yè)生產(chǎn)中占有舉足輕重的地位，金屬材料制備的零部件數(shù)量遠(yuǎn)多于其他材料。因此，對(duì)于金屬材料零部件的失效分析是最成熟的。當(dāng)前由于各類(lèi)新材料的大量使用，一些新材料的失效問(wèn)題也不斷出現(xiàn)，構(gòu)成新的研究方向。例如在航天航空領(lǐng)域，采用樹(shù)脂基、金屬基復(fù)合材料可以大幅度提高比強(qiáng)度、比剛度，在降低飛機(jī)結(jié)構(gòu)質(zhì)量系數(shù)方面起到舉足輕重的作用，所以復(fù)合材料的失效分析越來(lái)越受到人們的重視。對(duì)于這些新材料的失效分析，基本思路和基本分析方法與金屬材料是一致的。但是由于新材料有自身的特殊性，在進(jìn)行失效分析時(shí)必須引起注意。以下以金屬基復(fù)合材料為例來(lái)進(jìn)行說(shuō)明。1.4.2 新材料的失效分析【例1-12】 20世紀(jì)80年代，日本豐田公司采用Al2O3短纖維增強(qiáng)汽車(chē)活塞材料（類(lèi)似國(guó)產(chǎn)ZL109鋁合金）用于柴油機(jī)活塞第一環(huán)槽，取得了良好的效果。隨后國(guó)內(nèi)外一些機(jī)構(gòu)便開(kāi)展了對(duì)Al2O3短纖維增強(qiáng)Al基復(fù)合材料的研究。采用Al2O3短纖維增強(qiáng)ZL109鋁合金與Al-5.5%Mg合金制備成復(fù)合材料后，測(cè)定力學(xué)性能，獲得完全不同的力學(xué)性能數(shù)據(jù)，纖維體積分?jǐn)?shù)/%抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%02901383094.8153342.4203512.0纖維體積分?jǐn)?shù)/%抗拉強(qiáng)度/MPa延伸率/%03002.382100.8151800.7201600.6Al2O3短纖維增強(qiáng)Al-5.5%Mg復(fù)合材料強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果Al2O3短纖維增強(qiáng)ZL109復(fù)合材料強(qiáng)度測(cè)定結(jié)果1.4.2 新材料的失效分析可見(jiàn)纖維加入不同的鋁合金中，起到的強(qiáng)化效果完全不同。對(duì)于Al-5.5%Mg合金，纖維加入能起到強(qiáng)化效果，且隨纖維的體積分?jǐn)?shù)增加強(qiáng)化效果增強(qiáng)。但是對(duì)于ZL109合金則完全相反，隨著纖維體積分?jǐn)?shù)的增加，強(qiáng)度不斷下降（相當(dāng)失效）。為了分析原因，可以采用常規(guī)方法分析斷口、金相組織，但是最關(guān)鍵的是分析界面。 是Al2O3短纖維增強(qiáng)ZL109合金界面的透射電鏡照片。（a）（d）（b） （c）Al2O3短纖維增強(qiáng)ZL109復(fù)合材料界面透射電鏡照片1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)失效分析是包括事故分析、失效機(jī)理的提出與事故的預(yù)防等在內(nèi)的綜合研究。到目前為止，人們主要依據(jù)經(jīng)驗(yàn)和已經(jīng)獲得的斷口、裂紋、金相圖譜等經(jīng)驗(yàn)資料進(jìn)行分析?，F(xiàn)有的圖譜與案例集基本上是針對(duì)具體情況的“特殊分析”的分析，并且是定性的分析。這種分析的準(zhǔn)確性取決于分析人員的素質(zhì)。初步涉入失效分析領(lǐng)域的技術(shù)人員，分析出的結(jié)論往往可靠性偏低。只有長(zhǎng)期從事失效分析工作的專(zhuān)家，得到的分析結(jié)果才具有很高的可靠性。所謂專(zhuān)家系統(tǒng)，是指在某一特定領(lǐng)域內(nèi)，將人類(lèi)失效專(zhuān)家積累的豐富經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算機(jī)強(qiáng)大計(jì)算能力結(jié)合，通過(guò)一定的邏輯推理編制出的計(jì)算機(jī)求解的應(yīng)用程序系統(tǒng)。理論上希望系統(tǒng)具有該領(lǐng)域?qū)＜壹?jí)水平的知識(shí)、經(jīng)驗(yàn)和能力，可以求解出只有高級(jí)專(zhuān)家才能解決的問(wèn)題，使一般的工程技術(shù)人員在計(jì)算機(jī)的幫助下，具有專(zhuān)家的思路、知識(shí)系統(tǒng)、經(jīng)驗(yàn)，能解決實(shí)際問(wèn)題。1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)建立專(zhuān)家系統(tǒng)的思路簡(jiǎn)介如下：1.人類(lèi)專(zhuān)家進(jìn)行失效分析時(shí)需要具備的素質(zhì)與分析基本思路首先人類(lèi)專(zhuān)家必須具備深厚的知識(shí)結(jié)構(gòu)，這種知識(shí)結(jié)構(gòu)可以分成兩大類(lèi)，一類(lèi)是在此領(lǐng)域的基礎(chǔ)知識(shí)，另一類(lèi)是豐富的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，即他本人分析過(guò)的大量的案例。為模擬人類(lèi)專(zhuān)家，專(zhuān)家系統(tǒng)也必須具備這樣的“素質(zhì)”，即通常所說(shuō)的計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)庫(kù)。對(duì)于一個(gè)具體的失效構(gòu)件，人類(lèi)專(zhuān)家對(duì)其進(jìn)行分析的基本思路是：以失效分析的規(guī)律、相關(guān)基礎(chǔ)知識(shí)作為分離的理論依據(jù)，將通過(guò)調(diào)查、試驗(yàn)獲得的信息（失效現(xiàn)象、分析結(jié)果）分別加以考察，然后有機(jī)地將相關(guān)信息進(jìn)行結(jié)合，作為一個(gè)整體進(jìn)行綜合考察，利用頭腦中的知識(shí)結(jié)構(gòu)，應(yīng)用邏輯推理方法對(duì)具體失效構(gòu)件進(jìn)行分析判斷。在分析判斷時(shí)分成兩種情況：以前是否遇到過(guò)類(lèi)似的失效案例（需要分析的失效案例稱(chēng)為目標(biāo)案例）？如果遇到過(guò)類(lèi)似案例，就采用類(lèi)比推理的方法進(jìn)行分析，即比較目標(biāo)案例與之前遇到過(guò)的案例在材料加工、斷裂方式、斷口特征、金相組織等方面有哪些相同之處？有哪些不同之處？再利用基礎(chǔ)知識(shí)、專(zhuān)業(yè)知識(shí)進(jìn)行推理分析，在分析過(guò)程中不可避免地要查閱一些資料并進(jìn)行必要的討論，最后得出結(jié)論與改進(jìn)措施（即對(duì)失效問(wèn)題求出解）。1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)2.

失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)模型構(gòu)建思路專(zhuān)家系統(tǒng)是模擬人類(lèi)專(zhuān)家進(jìn)行分析求解，因

此

也

必

須

具

備

人

類(lèi)

專(zhuān)

家

的

“

知

識(shí)

結(jié)構(gòu)”“調(diào)用知識(shí)的能力”與“分析問(wèn)題的能力”。模擬人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)結(jié)構(gòu)就是建立數(shù)據(jù)庫(kù)。人類(lèi)專(zhuān)家的知識(shí)結(jié)構(gòu)在頭腦中，表達(dá)這些知識(shí)內(nèi)容是用人類(lèi)的語(yǔ)言、數(shù)字及各種數(shù)學(xué)表達(dá)式。計(jì)算機(jī)要利用這些知識(shí)必須將人類(lèi)專(zhuān)家的這些知識(shí)轉(zhuǎn)換成計(jì)算機(jī)可以識(shí)別的形式。文獻(xiàn)7采用了綜合失效分析知識(shí)獲取方法，知識(shí)獲取及表達(dá)方式1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)將需要解決的失效分析問(wèn)題（目標(biāo)案例）與數(shù)據(jù)庫(kù)中存儲(chǔ)的案例（稱(chēng)為源案例）進(jìn)行對(duì)比，如果目標(biāo)案例與某個(gè)源案例完全一致，就可以將源實(shí)例的結(jié)論與解決問(wèn)題的方案，作為目標(biāo)實(shí)例的解決方案。否則選取與目標(biāo)案例接近的案例作為參考，對(duì)源案例進(jìn)行改編，以獲得對(duì)目標(biāo)案例的解決方案。這就是類(lèi)比推理。類(lèi)比推理系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)包括實(shí)例的表示與索引、實(shí)例檢索、目標(biāo)案例的自學(xué)習(xí)。圖1-16所示為類(lèi)比推理方式的求解過(guò)程類(lèi)比推理的求解過(guò)程1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)失效分析過(guò)程中包含很多不確定的因素，不確定性的來(lái)源主要是知識(shí)的不確定性與證據(jù)的不確定性。為使計(jì)算機(jī)模擬與人類(lèi)思維更接近，專(zhuān)家系統(tǒng)采用不確定性推理，對(duì)于邏輯推理采用置信度方法對(duì)不確定性進(jìn)行評(píng)價(jià)。推理具體過(guò)程如下：前提事實(shí)的置信度×規(guī)則置信度＝結(jié)論事實(shí)的置信度其中規(guī)則置信度由專(zhuān)家給出，前提事實(shí)的置信度由用戶(hù)提供。C

F

1(CF2)

C

F

?前提 規(guī)則 結(jié)論CF

CF1

CF

2對(duì)于多個(gè)事實(shí)則激活同一規(guī)則所產(chǎn)生的新事實(shí)的不確定性。C

F

1(CF4)C

F

?

C

F

2

C

F

3

1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)根據(jù)上述思路構(gòu)建立專(zhuān)家系統(tǒng)，具體內(nèi)容包括：（1）首先根據(jù)失效分析領(lǐng)域的知識(shí)特點(diǎn)和表達(dá)方式、失效分析推理過(guò)程，以及建立專(zhuān)家系統(tǒng)需要考慮的各方面因素進(jìn)行規(guī)劃，確定構(gòu)建系統(tǒng)的各個(gè)功能模塊。（2）在對(duì)失效分析領(lǐng)域知識(shí)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上，確定知識(shí)的獲取與編輯模塊。將相關(guān)理論基礎(chǔ)、經(jīng)驗(yàn)知識(shí)編入此模塊，并將它們用規(guī)則表達(dá)出來(lái)，構(gòu)建成知識(shí)庫(kù)。（3）建立案例模塊，案例知識(shí)用框架的形式表示出來(lái)，構(gòu)建成案例庫(kù)。（4）為使專(zhuān)家系統(tǒng)的術(shù)語(yǔ)統(tǒng)一，以提高系統(tǒng)的性能，還要建立存放統(tǒng)一術(shù)語(yǔ)的字典庫(kù)。在字典庫(kù)與規(guī)則庫(kù)、案例庫(kù)及推理機(jī)之間建立聯(lián)系。（5）確定失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)的推理機(jī)制。一般是邏輯推理與類(lèi)比推理。從已有的知識(shí)推出未知的知識(shí)，從一個(gè)或幾個(gè)已知的判斷，推出另一個(gè)新的判斷。只要推理的前提是真實(shí)的，推理前提和結(jié)論的關(guān)系符合思維規(guī)律要求，得到的結(jié)論就是真實(shí)的。1.4.3 失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)（6）專(zhuān)家系統(tǒng)除要有知識(shí)庫(kù)、案例庫(kù)、推理機(jī)、知識(shí)存儲(chǔ)與推理功能，還要有知識(shí)查詢(xún)、解釋功能。系統(tǒng)的解釋能力也是評(píng)價(jià)系統(tǒng)性能的一個(gè)重要方面。同時(shí)用戶(hù)界面要友好。為航空機(jī)械零部件失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。失效分析專(zhuān)家系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)本章結(jié)束謝謝大家1《金屬材料零部件失效分析基礎(chǔ)與應(yīng)用》第2章失效分析基礎(chǔ)與基本性能目錄金屬材料典型力學(xué)性能試驗(yàn)條件下的應(yīng)力分布與斷裂過(guò)程應(yīng)力集中與三向應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理與分析方法斷口宏觀形貌分析方法目錄斷口微觀形貌分析方法斷口宏觀形貌與斷口微觀形貌間的關(guān)系金相組織分析方法實(shí)際案例分析金屬材料典型力學(xué)性能試驗(yàn)條件下的應(yīng)力分布與斷裂過(guò)程2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（a）實(shí)測(cè)拉伸曲線為標(biāo)準(zhǔn)圓柱形低碳鋼典型的拉伸曲線。拉伸過(guò)程中是單向加載，最大正應(yīng)力處在垂直拉力軸的截面上，最大切應(yīng)力位于圓柱軸45的截面上，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值為0.5，這種應(yīng)力狀態(tài)就決定了斷裂的基本過(guò)程。2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（b）拉伸試棒應(yīng)力分布曲線加載開(kāi)始時(shí)僅發(fā)生彈性變形，隨著應(yīng)力增加曲線呈現(xiàn)鋸齒狀，表明開(kāi)始發(fā)生材料屈服。隨后應(yīng)力增加不多變形很大，說(shuō)明材料發(fā)生塑性變形，材料長(zhǎng)度增加并且截面減少。塑性變形是在切應(yīng)力作用下發(fā)生的。在塑性變形區(qū)域，材料要發(fā)生加工硬化使材料強(qiáng)化。在整個(gè)截面上加工硬化的程度并不均勻，所以塑性變形也不均勻。為了保持恒定速度拉伸就必須增加載荷。在產(chǎn)生加工硬化較小的區(qū)域發(fā)生不斷變形，也就是說(shuō)僅在截面的某些局部區(qū)域發(fā)生塑性變形。此處顯示橫截面減少，宏觀表現(xiàn)是出現(xiàn)“縮頸”。在縮頸位置截面積局部減少，類(lèi)似表面產(chǎn)生一個(gè)缺口，形成三向應(yīng)力狀態(tài)中心的徑向與軸向產(chǎn)生應(yīng)力最大值。2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征顯然在這種應(yīng)力作用下，一定會(huì)在試棒中心產(chǎn)生裂紋，然后向徑向擴(kuò)展。當(dāng)裂紋接近表面時(shí)，殘留材料就是一個(gè)薄殼，因此變成平面應(yīng)變條件，導(dǎo)致裂紋擴(kuò)展由平面破斷向斜面過(guò)程變化。根據(jù)材料力學(xué)可知，平面應(yīng)力條件下45°方向的剪應(yīng)力最大，所以形成剪切唇。根據(jù)上述拉伸樣品的斷裂過(guò)程，可以推出以下一些結(jié)論：（1）拉伸斷口表面一般分成兩個(gè)區(qū)域，中心區(qū)域是垂直拉力軸的相當(dāng)平坦區(qū)域，傾斜45的邊緣區(qū)域成為剪切唇。斷口形貌成為杯錐形斷口，見(jiàn)圖（c）。（c）斷口形貌2.1.1 拉伸試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（2）斜面斷裂與平面斷裂的相對(duì)數(shù)量取決于約束的程度。（3）如果在實(shí)際工件中觀察到斷口形貌與之類(lèi)似，說(shuō)明主要受到單向拉伸載荷，且斜面區(qū)域（即剪切唇區(qū)域）應(yīng)該是最后斷裂區(qū)域。（4）如果單向加載情況下裂紋出現(xiàn)在表面，一般認(rèn)為表面有組織缺陷。（5）如果材料的切斷抗力tk很小，當(dāng)外載荷引起的正應(yīng)力還沒(méi)有達(dá)到材料正斷抗力時(shí)，而切應(yīng)力就已經(jīng)達(dá)到切斷抗力tk，根據(jù)式（2-3）可知，試樣會(huì)發(fā)生切斷斷裂。斷口與軸線成45°角，見(jiàn)圖。破斷面與軸線成45拉伸斷口2.1.2 彎曲試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征受彎曲載荷的樣品與受拉伸載荷的樣品既有類(lèi)似之處，也存在明顯差別。主要的差別是樣品一側(cè)受拉，另一側(cè)受壓。受拉一側(cè)情況與拉伸載荷類(lèi)似，但是由于不會(huì)出現(xiàn)縮頸階段，所以不會(huì)產(chǎn)生三向應(yīng)力狀態(tài)，因此樣品產(chǎn)生的裂紋不會(huì)在樣品內(nèi)部。因?yàn)樽畲髴?yīng)力在表面，所以裂紋最有可能出現(xiàn)在表面。圓形截面彎曲情況下，上表面處于軸向拉伸，下表面則受到壓縮。最大正應(yīng)力位于頂部表面，最大切應(yīng)力位于兩個(gè)互相垂直的平面，分別垂直于平行圓柱軸。彎曲載荷下正應(yīng)力和剪應(yīng)力與樣品的形狀有關(guān)。根據(jù)材料力學(xué)，對(duì)于矩形、圓形等截面，最大剪應(yīng)力一般不大，往往是在正應(yīng)力下開(kāi)裂。對(duì)于工字形截面，在腹板剪應(yīng)力可能很大，有可能在剪應(yīng)力作用下開(kāi)裂。如果零部件的跨度很短，正應(yīng)力就不會(huì)很大，但剪應(yīng)力會(huì)較大，此時(shí)如果材料的抗剪能力很低（即切斷抗力很低），就很有可能在剪應(yīng)力作用下開(kāi)裂。2.1.2 彎曲試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征對(duì)于在正應(yīng)力作用下斷裂的樣品，如果上表面受拉、下表面受壓，裂紋啟裂于上表面，則斷裂過(guò)程相當(dāng)從上表面開(kāi)始，一層一層拉斷，逐漸向下表面進(jìn)行，所以最后斷裂的下表面類(lèi)似拉伸斷裂的左后斷裂區(qū)域，因此在下表面會(huì)出現(xiàn)剪切唇。為彎曲斷裂樣品的斷口形貌圖。（a）受到彎曲載荷的軸類(lèi)零件應(yīng)力分布示意圖（b）受到彎曲載荷斷裂螺栓的斷口形貌照片2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征圓形截面扭轉(zhuǎn)情況下，受力狀態(tài)如圖所示，最大正應(yīng)力位于與軸成45°的平面，最大切應(yīng)力與軸線成90°，最大切應(yīng)力與最大正應(yīng)力比值為0.8。（a）圓柱樣品受扭轉(zhuǎn)載荷示意圖 （b）圓柱樣品上截取小單元體受力示意圖最大切應(yīng)力示意圖2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征是鋁合金樣品扭轉(zhuǎn)斷裂后，表面變形線的激光共聚焦形貌照片，從圖中可以更清楚地看到變形線與軸成45角。斷裂可以呈韌性或脆性方式斷裂，導(dǎo)致兩種不同形式的斷口。（1）90°切斷斷口：如果材料以韌性方式斷裂，說(shuō)明材料屈服強(qiáng)度相當(dāng)?shù)?，材料切斷抗力tk較低，因此在切應(yīng)力作用下則發(fā)生明顯塑性變形，外加應(yīng)力達(dá)到tk時(shí)樣品發(fā)生斷裂。因?yàn)?/p>

鋁合金扭轉(zhuǎn)后表面出現(xiàn)與軸線成45的變形條紋照片最大切應(yīng)力與軸線垂直，所以斷口與軸線成90°。因?yàn)樵谇袘?yīng)力下發(fā)生塑性變形，所以如果在圓柱表面做一條平行軸線得到標(biāo)線，變形后該線就要圍繞表面做螺旋運(yùn)動(dòng)。

是鋁合金材料進(jìn)行扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)后由于塑性變形留下的痕線，有時(shí)可以采用腐蝕方法顯示扭轉(zhuǎn)塑性變形留下的痕跡。鋁合金樣品扭轉(zhuǎn)斷裂后表面激光共聚焦照片2.1.3 扭轉(zhuǎn)過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征（2）45°正斷斷口：對(duì)于脆性材料（如鑄鐵），由于材料本身正斷抗力SOT較低，而切斷抗力tk較高，所以在正應(yīng)力作用下斷裂。由于45位向的正應(yīng)力最大，所以破斷面與軸線成45°角。圓柱樣品在拉伸載荷作用下，最大拉應(yīng)力在垂直軸線平面上，最大剪應(yīng)力在與軸線成45°的平面上。而在扭轉(zhuǎn)載荷作用下，卻是最大剪應(yīng)力在垂直軸線平面上，最大拉應(yīng)力在與軸線成45°的平面上。因此，破斷面的位向也會(huì)發(fā)生變換。韌性材料在拉伸過(guò)載斷裂情況下，其破斷面與軸線成45°，而在扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂情況下，破斷面與軸線成90°。脆性材料在拉伸過(guò)載斷裂情況下，其破斷面與軸線成90°，而在扭轉(zhuǎn)過(guò)載斷裂情況下，破斷面與軸線成45°。2.1.4 剪切過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征沿垂直于軸的方向作用于軸上的外力稱(chēng)為橫向力。在橫向力作用下，軸的相鄰橫截面發(fā)生相對(duì)錯(cuò)動(dòng)，這種變形稱(chēng)為剪切變形。在工程實(shí)際中許多零部件（如銷(xiāo)、鍵及鉚釘）主要受到剪切作用。剪應(yīng)力計(jì)算模型橫截面上剪切應(yīng)力按照式計(jì)算：?＝Q/FQ是作用在橫截面上的內(nèi)力，與外力P數(shù)值相等、方向相反；F是橫截面面積。剪應(yīng)力計(jì)算示意圖2.1.4 剪切過(guò)載試驗(yàn)金屬材料應(yīng)力分布與斷裂特征從上述受力狀態(tài)可知，如果一個(gè)軸類(lèi)零件受到純剪切應(yīng)力，其斷裂的斷口應(yīng)該是平行剪應(yīng)力方向，并且與軸線垂直。下圖是螺栓受到剪切作用斷裂的斷口照片。宏觀斷口表面很平整，掃描電鏡下，可以看到方向性韌窩形貌。韌窩拉長(zhǎng)方向就是剪應(yīng)力方向。螺栓受剪應(yīng)力斷裂的形貌照片2.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程當(dāng)物體以一定速度作用在工件上時(shí)，物體的速度發(fā)生急劇變化。由于物體的慣性，使工件受到很大的作用力，這種載荷稱(chēng)為沖擊載荷。在沖擊載荷作用下工件中所引起的應(yīng)力可能很大，稱(chēng)為沖擊應(yīng)力。而材料的力學(xué)性能數(shù)據(jù)也不能用靜載荷下測(cè)定的數(shù)據(jù)評(píng)價(jià)。鍛造、沖壓等實(shí)際加工過(guò)程中均存在沖擊應(yīng)力問(wèn)題。計(jì)算沖擊問(wèn)題時(shí)一般僅關(guān)心變形與應(yīng)力的瞬時(shí)最大值。下面以受到縱向沖擊為例進(jìn)行力學(xué)分析， 。圖中剛體A的重量為Q，桿的長(zhǎng)度為l，面積為F，彈性模量為E。計(jì)算沖擊變形與應(yīng)力2.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程根據(jù)機(jī)械能守恒定律可以推導(dǎo)出下列公式：?d＝Kd?s?d＝Kd?skd＝1＋[（1＋2h/?

s）]1/2式中，?d與?d分別為沖擊變形量與沖擊應(yīng)力；?s與?s分別為靜載荷下應(yīng)變與靜載荷下應(yīng)力，其中，?s

＝Q/F，?s＝Ql/EF；Kd稱(chēng)為沖擊時(shí)動(dòng)荷系數(shù)。如果h＝0則kd＝2，說(shuō)明當(dāng)重量Q不是由高度落下，而是突然加在kd桿端上，桿的變形與沖擊力將是靜載荷的2倍。如果h很大，則動(dòng)載荷系數(shù)為kd≈1＋[2h/?s]1/2≈[2h/?s]1/2可以求出在h很大的情況下的動(dòng)載荷應(yīng)力：?s

≈[2hQE/Fl]1/22.1.5 沖擊試驗(yàn)金屬材料斷裂過(guò)程上面推導(dǎo)出的公式可以用于其他桿件情況，如圖所示。計(jì)算水平桿件沖擊變形與應(yīng)力一個(gè)重為Q的物體A從高度h自由落下，打到一個(gè)簡(jiǎn)支梁的中點(diǎn)。已知在梁中點(diǎn)有靜載荷Q作用時(shí)梁的撓度：?s＝Ql3/48EJ （2-10）將d代s

入式（2-9）可以求出沖擊時(shí)梁的變形與沖擊應(yīng)力。當(dāng)h很大時(shí)：?d≈[96hQEJ]1/2/Fl （2-11）水平桿件受沖擊模型與測(cè)定材料的沖擊韌性試驗(yàn)有些類(lèi)似，但是計(jì)算靜載荷下所受應(yīng)力s時(shí)s

應(yīng)該考慮缺口效應(yīng)產(chǎn)生的應(yīng)力集中（應(yīng)力集中問(wèn)題見(jiàn)2.2節(jié)），式（2-11）修正為?d≈K[96hQEJ]1/2/Fl （2-12）式中，K是靜載下由于缺口引起的應(yīng)力集中系數(shù)（見(jiàn)2.2節(jié)）。由（2-12）式可見(jiàn)，材料的彈性模量增加會(huì)引起動(dòng)應(yīng)力增加。采用表面處理技術(shù)，可以在表面形成化合物層，提高疲勞強(qiáng)度與耐磨性能，由于化合物層一般均有高的彈性模量，所以帶來(lái)的負(fù)面影響是增加動(dòng)荷應(yīng)力。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程一個(gè)零部件受到隨時(shí)間而變化的載荷作用，稱(chēng)為交變載荷，如圖所示。交變載荷示意圖交變載荷的特點(diǎn)是：（1）在靜載拉伸情況下，試樣拉伸到屈服強(qiáng)度以上，試樣出現(xiàn)均勻滑移變形。而在交變載荷下即使應(yīng)力幅值低于屈服強(qiáng)度，經(jīng)過(guò)多次循環(huán)后也會(huì)出現(xiàn)滑移，但是滑移分布不均勻。這是交變載荷與靜載荷最大的差別。而這種滑移的不均勻性一般出現(xiàn)在試樣表面、金屬晶界及非金屬夾雜物等處。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程（2）根據(jù)特點(diǎn)（1）可以推知：在拉伸、彎曲、扭轉(zhuǎn)等靜載荷情況下，如果應(yīng)力小于材料的屈服強(qiáng)度s，材料不會(huì)塑性變形，如果應(yīng)力低于斷裂強(qiáng)度b，材料不會(huì)斷裂。但是在交變載荷下，材料可以在低于屈服強(qiáng)度的情況下發(fā)生斷裂。還可推知疲勞裂紋往往啟裂于表面或夾雜物等處。（3）一定的應(yīng)力幅值S對(duì)應(yīng)一定的循環(huán)破壞次數(shù)N，應(yīng)力幅值越大對(duì)應(yīng)的循環(huán)破壞次數(shù)越少，應(yīng)力幅值與循環(huán)次數(shù)間的關(guān)系稱(chēng)為S-N曲線，見(jiàn)圖。這就說(shuō)明疲勞裂紋擴(kuò)展的過(guò)程是：應(yīng)力循環(huán)一次裂紋擴(kuò)展一定距離，應(yīng)力幅值高，裂紋擴(kuò)展距離長(zhǎng)。所以斷口有著與靜載條件下不同的形貌，并且與應(yīng)力幅值的大小有密切的關(guān)系。（4）由于應(yīng)力分布的特殊性，所以無(wú)論是脆性材料還是韌性材料，在交變載荷下均是疲勞裂紋擴(kuò)展到一定程度突然破壞，即使是韌性非常好的材料也不會(huì)出現(xiàn)明顯的塑性變形。（5）某些材料存在一個(gè)應(yīng)力值，如果低于它，裂紋則不會(huì)擴(kuò)展。此應(yīng)力值稱(chēng)為疲勞極限。一般情況下疲勞極限對(duì)循環(huán)頻率不敏感。2.1.6 交變載荷應(yīng)力分布特點(diǎn)與斷裂過(guò)程材料變形形式對(duì)稱(chēng)循環(huán)下疲勞極限脈沖循環(huán)下疲勞極限結(jié)構(gòu)鋼彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)s－1＝0.27（ss＋sb）s－1L＝0.23（ss＋sb）t－1m＝0.15（ss＋sb）s0＝1.33s－1s0L＝1.42s－1t－1n＝1.50t－1m鑄鋼彎曲拉伸扭轉(zhuǎn)s－1＝0.45sbs－1l＝0.40sbs－1n＝0.36sbs0＝1.33s－1s0l＝1.42s－1ls0n＝1.35t－1m鋁合金彎曲拉伸s－1＝s－1l＝0.167sb＋75

MPas0＝s0l＝1.50s－1l青銅彎曲s－1＝0.21sb根據(jù)大量試驗(yàn)結(jié)果，人們總結(jié)出常用材料的疲勞極限與靜強(qiáng)度之間的關(guān)系，見(jiàn)表。材料疲勞強(qiáng)度與靜強(qiáng)度的關(guān)系2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素材料的疲勞強(qiáng)度均是在標(biāo)準(zhǔn)條件下測(cè)定的，一般采用小尺寸圓形試樣測(cè)定。但是實(shí)際零部件是多種多樣的，與材料的疲勞強(qiáng)度有較大的差別。這是因?yàn)閷?shí)際的零部件由于形狀、表面狀態(tài)、服役環(huán)境均與試驗(yàn)條件有很大差別，所以必須考慮多種因素影響1.尺寸效應(yīng)影響測(cè)定材料疲勞極限的樣品尺寸直徑一般在10

mm左右，實(shí)際零部件尺寸千變?nèi)f化?；疽?guī)律是：隨零部件尺寸增加疲勞強(qiáng)度下降。其原因目前解釋是：試樣表面拉應(yīng)力相等條件下，尺寸大的樣品，從表面到心部的應(yīng)力梯度減少，處于應(yīng)力區(qū)的體積大，在交變載荷下，受損傷的區(qū)域大，碰到的缺陷的概率也大，所以疲勞強(qiáng)度降低。2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素可以用尺寸系數(shù)定量地表示其影響：構(gòu)件的尺寸系數(shù)2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素2.

應(yīng)力集中影響2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素3.

表面腐蝕的影響在水與鹽水環(huán)境下的腐蝕系數(shù)2.1.7 實(shí)際零部件疲勞強(qiáng)度影響因素由圖可以推導(dǎo)出以下規(guī)律：（1）眾所周知，一般鋼鐵材料在鹽水環(huán)境下比在流水下更容易發(fā)生腐蝕，在同樣強(qiáng)度情況下，腐蝕條件越惡劣，β2就越低。（2）圖中橫坐標(biāo)是鋼的強(qiáng)度極限。一般情況下，強(qiáng)度極限高，材料的疲勞極限高。圖中數(shù)據(jù)表明，強(qiáng)度越高的材料β2越低，說(shuō)明腐蝕對(duì)高強(qiáng)鋼的影響更嚴(yán)重。（3）根據(jù)圖獲得一個(gè)粗略的定量數(shù)據(jù)，在腐蝕環(huán)境下疲勞強(qiáng)度大約要降低30%～80%。可得出推論：在腐蝕環(huán)境下受到交變載荷的零部件，不能僅考慮如何提高疲勞性能，而且要同時(shí)考慮如何提高抗腐蝕性能。在零部件實(shí)際服役條件下，可能有多種影響因素存在，一般根據(jù)主要因素選取相應(yīng)的影響系數(shù)。應(yīng)力集中與三向應(yīng)力2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力2.1節(jié)討論了試樣在典型力學(xué)試驗(yàn)中的斷裂過(guò)程，但是零部件在實(shí)際服役條件下，其受力狀況與試樣進(jìn)行力學(xué)性能試驗(yàn)往往有很大不同，在進(jìn)行分析時(shí)必須考慮到這些不同因素的影響。其中一個(gè)最明顯的不同之處就是，在力學(xué)試驗(yàn)過(guò)程中樣品均采用標(biāo)準(zhǔn)樣品，樣品均是具有一定簡(jiǎn)單形狀不變截面積的幾何圖形且表面一般是光滑的。而實(shí)際工件往往是不同形狀的構(gòu)件，甚至在表面就有機(jī)加工形成的不規(guī)則區(qū)域，如尖角、臺(tái)階等。在這些區(qū)域會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中問(wèn)題，這是必須要考慮的問(wèn)題。應(yīng)力集中產(chǎn)生的原因定性分析可以可用圖表示。（a）無(wú)缺口 （b）有缺口用應(yīng)力線描述應(yīng)力集中概念2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力設(shè)一個(gè)圓柱體沿軸向受到拉伸載荷，單位面積受到的載荷可以用應(yīng)力線表示，如上圖（a）所示，應(yīng)力線均勻分布在整個(gè)截面上。應(yīng)力線越密集表明應(yīng)力值越高，現(xiàn)在假設(shè)圓柱體上開(kāi)有一個(gè)圓周缺口，遠(yuǎn)離缺口表面區(qū)域載荷應(yīng)力線分布仍然是均勻的，但是在缺口附近由于在缺口處無(wú)法承受載荷，應(yīng)力線必將“繞過(guò)缺口區(qū)域”，分布在缺口附近的區(qū)域，造成此處的應(yīng)力線就變得密集，在缺口根部其密度達(dá)到最大值，表明此處的應(yīng)力遠(yuǎn)高于遠(yuǎn)離缺口附近的平均應(yīng)力，這就是應(yīng)力集中。根據(jù)上述模型零部件的形狀將影響應(yīng)力線的分布，在一些特殊的部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中，（a）（d）（e）（b） （c）圓柱體的幾何形狀對(duì)應(yīng)力分布的影響2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力為定量分析應(yīng)力集中的影響，對(duì)于一些簡(jiǎn)單應(yīng)力集中現(xiàn)象可以進(jìn)行定量計(jì)算。例如，對(duì)于一個(gè)無(wú)限寬板上有一個(gè)橢圓形圓孔受到如圖所示的載荷后在圓孔的邊緣產(chǎn)生應(yīng)力集中。無(wú)限寬板上橢圓孔應(yīng)力集中計(jì)算模型平均應(yīng)力為?平均＝P/A（A為寬板的截面積），在橢圓的長(zhǎng)軸兩端出現(xiàn)應(yīng)力集中。根據(jù)彈性力學(xué)理論計(jì)算最大應(yīng)力：?max＝?平均（1＋2a/b） （2-17）將最大應(yīng)力與平均應(yīng)力的比值定義為應(yīng)力集中系數(shù)K：K＝?max/?平均＝（1＋2a/b） （2-18）對(duì)于無(wú)限寬板上橢圓孔出現(xiàn)的K顯然與橢圓的幾何形狀有關(guān)，a越大b越小。其中，a、b是指圖中橢圓裂紋的長(zhǎng)軸與短軸尺寸，應(yīng)力集中系數(shù)就越大，應(yīng)力集中影響也就越大。其他情況下也有類(lèi)似的結(jié)論，即應(yīng)力集中系數(shù)取決于幾何形狀與載荷。不同幾何形狀零部件在特殊部位產(chǎn)生的應(yīng)力集中系數(shù)見(jiàn)附錄A。2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力分析一個(gè)受拉伸的樣品：2.1節(jié)中已經(jīng)論述，圓柱樣品在單向拉伸時(shí)中部應(yīng)力最大，因此首先在中部形成裂紋，這時(shí)繼續(xù)拉伸就類(lèi)似于對(duì)有裂紋的樣品進(jìn)行單向拉伸，可以用圖進(jìn)行分析。在裂紋處的上下兩個(gè)表面沒(méi)有軸向應(yīng)力作用，所以在裂紋表面X與Y方向沒(méi)有應(yīng)變。但是在裂紋的根部（虛線處）材料是連續(xù)的，當(dāng)有應(yīng)力作用時(shí)在Y方向要伸長(zhǎng)，因此在Z方向必然要收縮。因?yàn)檎麄€(gè)裂紋面材料也是連續(xù)的，所以這種收縮會(huì)受到無(wú)收縮的裂紋表面的阻礙。也就是說(shuō)，在裂紋面處裂紋根部虛線處要收縮，但是其他區(qū)域不收縮，即在Z方向有應(yīng)力作用，同理在X方向也存在應(yīng)力作用。因此雖然是單向拉伸，在心部產(chǎn)生裂紋后樣品就處于三向應(yīng)力狀態(tài)。這種應(yīng)力狀態(tài)使材料更易于脆性斷裂。對(duì)于板狀材料，板越厚，裂紋越長(zhǎng)，三向應(yīng)力就越大。明確三向應(yīng)力產(chǎn)生的原因?qū)Ψ治鰯嗫诤苡袔椭?。裂紋樣品單向拉伸產(chǎn)生三向應(yīng)力2.2 應(yīng)力集中與三向應(yīng)力（a）連桿螺栓斷裂源處明顯的加工刀痕 （b）連桿螺栓疲勞源照片疲勞源處于加工刀痕位置【例2-2】

空壓機(jī)連桿螺栓刀痕對(duì)疲勞斷裂的影響。某空壓機(jī)連桿螺栓發(fā)生斷裂，宏觀斷口分析屬于疲勞斷裂（具體判斷方法見(jiàn)3.1節(jié)），并確定出裂紋源的位置，見(jiàn)圖，疲勞源恰好處于加工刀痕的位置處，說(shuō)明應(yīng)力集中對(duì)裂紋形成有影響。殘余應(yīng)力產(chǎn)生原理與分析方法2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力1.

熱應(yīng)力的產(chǎn)生產(chǎn)生原因在冷卻過(guò)程中，工件內(nèi)外“熱脹冷縮”不可能同時(shí)發(fā)生，因此會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力。下面以圓柱樣品為例進(jìn)行分析（在冷卻過(guò)程中，假設(shè)樣品不發(fā)生相變）。由于冷卻時(shí)樣品表面與心部不可能同時(shí)冷卻，將圓柱樣品分成表層與心部（表層與心部具體尺寸無(wú)法劃分，只是粗略劃分）。在加熱狀態(tài)表面與心部溫度一致時(shí)，見(jiàn)圖（a）。急速冷卻時(shí)，表面溫度大幅度降低，心部基本不降。表面與心部產(chǎn)生溫度差。表面要收縮，但是受到心部的抵制，有一個(gè)作用力作用在表面，將表層看成一個(gè)薄壁圓筒，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（b）所示。因此，冷卻初期表層受到拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力的原理，心部受到壓應(yīng)力。在冷卻后期，表面溫度基本不變，心部要收縮但是受到表面的牽制，有一個(gè)作用力作用在心部，即將心部看成一個(gè)圓柱，受到沿直徑方向作用力。作用力的方向如圖（c）所示。因此，冷卻后期心部受到拉應(yīng)力，根據(jù)作用力與反作用力原理，表面受到壓應(yīng)力。2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力由于表面與心部熱脹冷縮不同，表面由拉應(yīng)力向壓應(yīng)力轉(zhuǎn)換，心部從壓應(yīng)力向拉應(yīng)力轉(zhuǎn)換，見(jiàn)圖（d）。由于冷卻初期心部處于高溫，在應(yīng)力作用下會(huì)發(fā)生變形，釋放應(yīng)力，所以冷卻后期的應(yīng)力會(huì)形成殘余應(yīng)力，保留在樣品中。因此，熱應(yīng)力造成的殘余應(yīng)力最后的結(jié)果是：表面壓應(yīng)力，心部拉應(yīng)力。試驗(yàn)測(cè)得熱應(yīng)力造成的殘余拉應(yīng)力，軸向最大。（a）加熱狀態(tài)（b）冷卻初期表層收縮受到心部抵制（c）冷卻后期心部收縮受到表層抵制（d）表面與心部冷卻曲線與應(yīng)力變化2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力上述分析過(guò)程及殘余應(yīng)力分布特點(diǎn)可用下表進(jìn)行概括。（1）工件尺寸增大，熱應(yīng)力引起的殘余應(yīng)力上升。（2）在合金鋼和碳鋼尺寸與冷卻速度相同的情況下，由于合金鋼導(dǎo)熱一般比碳鋼小，所以表面與心部溫度差更大，引起熱應(yīng)力會(huì)更大。位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層收縮基本不變心部變形基本不變心部收縮表面應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力心部應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力（軸向最大）淬火過(guò)程中熱應(yīng)力殘余應(yīng)力產(chǎn)生過(guò)程與分布特點(diǎn)2.3.1 鋼在熱處理過(guò)程中的殘余應(yīng)力位置冷卻初期冷卻后期表層變形表層膨脹基本不變心部變形基本不變心部膨脹表面應(yīng)力壓應(yīng)力拉應(yīng)力（切向最大）心部應(yīng)力拉應(yīng)力壓應(yīng)力2.

組織應(yīng)力的產(chǎn)生鋼在進(jìn)行淬火處理時(shí)，在產(chǎn)生熱應(yīng)力的同時(shí)要發(fā)生馬氏體相變，因此要產(chǎn)生組織應(yīng)