金属材料的失效分析.pdf

实验序号：7实验项目名称：金属材料的失效分析

一、实验目的及要求

1.了解失效分析的意义、目的

2..熟悉失效分析的类型及分析思路

3.利用显微镜对失效试样进行断口失效分析

二、实验设备（环境）及要求
金相显微镜、体式显微镜、抛光机、实验样品。

三、实验内容与步骤

㈠实验内容
1.失效分析的目的
⑴防止同类失效现象重复发生
⑵失效分析是机械产品设计、制造的依据
⑶消除隐患，确保产品安全可靠
⑷失效分析可以提高产品的信誉
2.失效的形式及其类型
失效的分类比较复杂，按其失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失
效等四种类型。
⑴断裂失效
断裂是指金属或合金材料或机械产品在力的作用下分成若干部分的现象。它是个动态的变化
过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。
断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。
断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳
断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆
性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。
⑵变形失效
所谓变形通常是机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指金
属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性
变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。
变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时变形量。一般
情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效将使机械构件表面
不留任何损伤痕迹，仅是金属材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；
塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。
⑶磨损失效
磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。
磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水
平。
磨损失效的类型有：①粘着磨损失效；②磨粒磨损失效；③腐蚀磨损失效；④变形磨损失效；

⑤表面疲劳磨损失效；⑥冲击磨损失效；⑦微振磨损失效等。
⑷腐蚀失效
腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然
在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济
上所造成的损失是相当严重的。
由于腐蚀作用是机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。
腐蚀失效的类型有：①直接化学腐蚀失效；②电化学腐蚀失效；③点腐蚀失效；④局部腐蚀
失效；⑤沿晶腐蚀失效；⑥选择性腐蚀失效；⑦缝隙腐蚀失效；⑧生物腐蚀失效；⑨磨损腐
蚀失效；⑩氢损伤失效；o11应力腐蚀失效等。
3.失效分析方法
进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。因为机械构件多数是在运行过程中发生断裂失
效的，每当一个零部件断裂损坏时，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有着十分密
切的关系。查找原因时要从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环
境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，并根据损坏的原因、机理、类
型和阶段，进行分析判断，制定出改进措施。
断裂过程是个动态过程，对断裂直接进行观察分析是比较难的；而断口是断裂的静态反应，
如果对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等。因为断口如实地反映了机械
构件断裂的全过程，及机械构件裂纹的萌生与扩展过程，断口分析是机械构件断裂失效分析
的一个重要手段。
为了取得更好的分析效果，对这一分析手段还必须辅以一系列其他的检验方法，如无损检测、
机械性能试验、金相检验、化学分析、X射线分析、断裂韧性试验、电子能谱分析、模拟试
验等。最后将上述分析和试验的结果与数据进行综合分析，并提出改进措施，写出失效分析
报告。
⑴原始资料的收集
原始资料是指构件服役前的全部经历、服役历史和断裂时的现场情况等。此外，还要从散落
的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。
⑵碎片（或断片）的选择与保存
①主裂纹的判别
进行断口分析时，首先要选择最先开裂的构件断口。有时一个构件在断裂过程中形成几个断
片时（如高压容器或锅炉爆炸事故等），也要选择最先断裂的断口，即主裂纹所形成的断口。
经常使用的主裂纹的判别方法有：T型法，分枝法，变形法和氧化法等四种方法。四种判别
方法如图所示。
T型法将散落的断片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T型。
分枝法将散落的断片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝型。在断裂失效中，往往在出现
一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向通常为裂纹的局部扩展方
向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为