失效分析考试重点

1、填空：1.常见的断裂分类有： 1）根据断裂时变形量的大小，将断裂失效分为两大类，即脆性断裂和延性断裂。 2）按裂纹走向与金相组织的关系，将断裂失效分为穿晶断裂和沿晶断裂。 3）按断裂机制与形貌将断裂失效分为：1）按断裂机制进行分类，分为微孔型断裂、解理型（准解理型）断裂、沿晶断裂及疲劳型断裂等。 2）按断口的宏观形貌分类，分为纤维状、结晶状、细瓷状、贝壳状及木纹状，人字形、杯锥状等。 3）按断口的微观形貌分类，分为微孔状、冰糖状、河流花样、台阶、舌状、扇形花样、蛇形花样、龟板状、泥瓦状及辉纹等。4）按加工工艺或产品类别对断裂进行分类：1）按加工下艺分类，有铸件断裂、锻件断裂、磨削裂纹、焊接裂纹

2、及淬火裂纹等。 2）按产品类别分类，有轴们断裂齿轮断裂、连接件断裂压力容器断裂和弹簧断裂等。2.失效分析可分为：事前分析、事中分析和事后分析。3.腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。4.解理断裂的微观形貌特征主要是：河流花样及解理台阶，除此之外尚有舌状花样、鱼骨状花样、扇形花样及羽毛花样等以及珠光体解理。5.典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区、疲劳裂纹的发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等五个区域。二、判断1.缩孔：由于金属从液态至固态的凝固期间，产生的收缩得不到充分补缩，使铸件在最后凝固部位形成具有粗糙的或粗晶粒表面的孔洞，一般呈倒锥形。2.点腐蚀：只有在特定

3、的介质中才能发生点腐蚀。当介质中的氯离子和氧化剂（如溶解氧）同时存在时，容易发生点腐蚀、大部分设备发生的点腐蚀失效都是氯化物和氯离子引起的。3.晶间腐蚀：某种材料是否发生晶间腐蚀取决于材料介质体系的特征。在这种体系中，材料的晶界区域比晶粒本体的溶解速度大，所发生的腐蚀即为晶间腐蚀。只有那些能使不锈钢的晶界呈现活化状态，而晶粒呈现钝化状态的介质环境，才会发生晶间腐蚀。金属发生晶间腐蚀后，在宏观上几乎看不到任何变化，几何尺寸及表面金属光泽不变，但其强度及延伸率显著降低。4.在一般情况下，当应力较小、腐蚀介质较弱时，应力腐蚀裂纹多呈沿晶扩展；相反，当应力较大、腐蚀介质较强时，应力腐蚀裂纹通常是穿晶扩

4、展。5.微孔型断裂的宏观表现：宏观塑性的微孔断裂（提高材料的塑变抗力防止）、宏观脆性的微孔断裂（提高材料的断裂韧度）。6.冷脆金属低温脆断断口的宏观特征：结晶状，并有明显的镜面反光现象。冷脆金属低温断裂断口的微观形貌具有典型的解理断裂特征：河流花样、台阶、舌状花样、鱼骨花样、羽毛状花样、扇形花样等。7.准解理断裂：从材料方面考虑，必为淬火加低温回火的马氏体组织，回火温度低，易产生此类断裂。为了防止此类断裂，最有效的办法就是提高钢材的抗低温脆断的能力，即降低钢材的脆性转折温度。三、名词解释1.第一类内应力是指存在于整个物体或在较大尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸在0.1mm 以上； 第二类内应力是

5、指在晶粒大小尺寸范围内保持平衡的应力，尺寸为 10（-1）10（-2)mm; 第三类内应力是在原子尺度范围保持平衡的应力，尺寸为10（-3）10（-6)mm.2.断口的宏观分析是指用肉眼或放大倍数一般不超过30倍的放大镜及实物显微镜，对断口表面进行直接观察和分析的方法。3.应力腐蚀开裂是在静拉应力作用下金属的腐蚀破坏。4.接触疲劳：材料表面在较高的接触压应力作用下，经过多次应力循环，其接触面的局部区域产生小片或小块金属剥落，形成麻点或凹坑，最后导致构件失效的现象。5.石墨化脆性：含硅高的碳素工具钢或弹簧钢，经热处理后，常出现硬度不足，加工表面粗糙度大，或在使用中脆断。其断口一般呈黑灰色，无金属

6、光泽，并可见石墨夹杂物或石墨碳颗粒，这种现象称石墨化脆性。四、简答失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力 时间 温度 环境介质和操作失误因素作用 失去其原有功能的现象。失效的特点：何时发生不确定何种方式不确定1：完全失去作用2：可以使用，但是不能充分执行预期的作用3：整体功能完好。某个构件严重损伤以使其继续使用不可靠损失及影响程度不确定失效分析：对金属装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究 从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。金属构件的失效形式：变形失效，断裂失效，腐蚀失效，磨损失效金属构件的失效原因：（1）设计不合理结构设计不合理：圆角半径、缺口、

7、截面突变、几何形状、截面大小、载荷设计不合理：应力计算不可靠、非正常载荷、环境及特殊要求不满足（2）选材不当和材料缺陷（3）制造工艺不合理（4）使用操作不当和维修不当缩孔：液态金属在冷凝过程中 由于体积收缩 会在铸件最后凝固部位形成孔洞 体积大而集中的孔洞称为缩孔。影响因素【液态金属的温度（越高 体积越大） 冷却速度（越快 不易） 铸件结构（越复杂 越易）】三个阶段：1、液态收缩阶段（从浇注温度到凝固开始温度）2、凝固收缩阶段（从凝固开始温度到凝固结束温度）3、固态收缩阶段（从凝固结束温度到室温）疏松：细小分散的孔洞称为疏松。（分类：宏观 微观） 缩孔及疏松危害（使铸件力学性能下降 影响加工后

8、表面粗糙度 疏松使铸件渗漏而报废） 措施（顺序凝固 锻造和轧制使其焊合）偏析：金属在冷凝过程中 化学成分和杂质分布不均匀的现象。（分类：晶内 晶间 区域 比重） 晶内（枝晶）：晶内化学成分不均匀的现象。影响因素（合金凝固速度 偏析元素扩散能力）危害（降低力学性能 加工工艺性能 耐蚀性能）措施（均匀退火） 晶间：晶体间成分不均匀的现象。危害（各向异性变形 淬火裂纹）措施（均匀退火） 区域：较大范围内化学成分不均匀的现象（SP）危害（S 破坏金属连续性、锻造和轧制时会引起热脆和开裂 降低冲击韧性 疲劳强度塑性脆性下降 产生冷脆 提高了韧脆转变温度降低可焊接性）措施（提高钢液纯净度 采用合理的浇铸工

9、艺） 比重：由于析出晶体与余下溶液密度不同 导致材料出现分层 化学成分不均匀现象。影响因素（材料组元密度差 晶体溶液成分差 浇铸温度冷却速度）措施（加快冷却速度 充分搅拌）气孔：冷凝过程中 气体从金属出来不及排除形成气孔。危害（减小金属有效承载面积 局部应力集中 抗疲劳能力下降）措施（脱氧充分防止产生CO 防止高温出刚 采用真空及负压浇注防止钢水吸气 钢包要烘烤去潮）白点：溶解度减小过量H在钢中空隙处聚集成H分子 使刚产生内部破裂 形成白点。例：柴油机活塞冬天要死脆断淬火M变形 CrMn Ms点在200左右 温度低于Ms M、+A残 A残不稳定向M转变体积增大所以容易出现要死 夏天A残相对稳定

10、 措施：A残稳定化处理T=100-80（回火温度）在转变成M过程中自回火 深冷处理+A残稳定化处理粗大魏氏组织：由于A粗大 先析出物沿晶析出 并以一定方向向晶粒内部生长。影响其形成因素（A晶粒大小A越大越易形成 只有在一定冷却速度才会形成）危害（钢的机械性能降低尤其降低韧性塑性和冲击韧性 增大T韧-脆）措施（退火正火达到细晶强化 双重正火：一次AC3 150-300 二次AC3+ 3050）网状C化物：C从粗大A析出并扩散至晶界形成碳化物 呈网络状存在的C化物组织。危害（增大脆性降低冲击韧性和降低寿命）措施（热处理方法：加热到ACM以上使C充分融入A中然后快冷在进行退火 锻造方法：多次反复+大

11、锻造比的锻造方法）带状组织：沿轧制方向形成条带状分布的不同组织。原因：成分偏析 危害（横向塑性和韧性降低 淬火时开裂失效 组织不均）措施（轻微的带状组织可用多次正火或扩散退火加正火消除）表面脱C层：T加过高T保过长表层的C成分低于内层 降低了C量的表层。危害（易于裂纹的产生）措施（机加工磨掉脱碳层）。龟状裂纹：裂纹的宏观外观呈龟壳网络分裂。成因（有S渗入钢料表面 CU等易容元素过多 钢料表面晶粒粗大）危害（影响力学性能和耐腐蚀性能）措施（磨修）脆性夹杂物：完全不具有塑性的夹杂物。（氧化物ZRO2 AL2O3 CR2O3 氮化物夹杂 ALN.）塑性夹杂物：具有良好塑性的夹杂物（MNS FES）产

12、生的裂纹倾向小非金属夹杂物对钢性能的影响：一般对屈服强度0-b影响不大 对钢材纵向延伸性影响不大 横向延伸性影响较明显 降低钢材的断裂韧性。根本原因（夹杂物使金属应力发生再分布 引起应力集中 为材料破坏提供了最薄弱的部位 破坏塑性）熔焊：在焊接过程中 将工件接口加热至熔化状态 不加压力完成焊接的方法。焊接 是热加工工艺中最容易产生工艺缺陷的一种工艺。焊接缺陷：接头中产生的金属不连续 不致密或连续不良的现象。分类：咬边、焊瘤、凹陷及焊接变形等焊接裂纹按机理不同分为：热裂纹、再热裂纹、冷裂纹、层状撕裂纹再热裂纹：焊后焊件在一定温度范围内进行的消除应力热处理工艺中所产生的裂纹。部位：热影响区的粗晶部

13、过裂于细晶区沿晶间开裂 形成机理（焊接时融入的沉淀相来不及析出晶内产生二次沉淀相使晶内变形能力增强）措施（在条件允许下尽可能加快升温速度尽快超过再热裂纹敏感区焊接时预热和后热减小焊接应力）层状撕裂：热影响区附近产生的台阶状层状断裂。机理（裂纹沿自身所处的平面扩展 把同一平面的夹杂物连成一片 由剪切应力作用下发生剪切断裂 构成层状撕裂的阶梯形状）热裂纹：在高温下产生，都沿A晶界开裂实在焊缝金属由液态到固态的结晶过程中产生的大多产生在焊缝金属中，宏观特征：沿焊缝轴向或纵向分布，横向分布裂口有氧化色彩，表面无光泽；微观特征：沿晶粒边界分布，沿晶断裂。【1.结晶裂纹（产生原因 在焊缝金属凝固结晶的后期

14、 低熔点物质排挤在晶界形成一层薄膜 在焊接拉应力作用下 薄膜裂开 形成结晶裂纹 措施 控制焊缝杂质含量 细化晶粒）2.高温裂化裂纹（高温下产生 在焊接应力作用下 沿奥氏体晶间发生开裂 措施 控制木材中SP杂质含量 改善焊接工艺）3.多变化裂纹（产生温度低于固相线温度 存在晶格缺陷 在化学作用下 缺陷聚集形成了多边化边界 使强度塑性下降 沿多边化边界开裂 形成机理 焊缝金属存在很多高密度的位错 在高温和应力共同作用下 不同平面上运动的刃型位错可能发生攀移 由原来的水平组合变成后来的垂直组合 措施 加入一些提高多边化过程的元素 减小攀移的能力 减小焊接应力的存在）】冷裂纹：一般特征（产生温度在MS

15、点附近温度区间 部位：热影响区 极少在焊缝产生钢种广泛，汗后立即出现0-几小时几天或更长时间）。宏观特征：断口有发亮金属光泽，裂口锯齿型凹凸不平，深浅不一，尾端尖而细，裂纹内腔无明显杂质；微观特征：晶间断裂，也有穿晶内断裂，也有穿晶混合断裂。【1.延迟裂纹（不是在焊后立即出现的裂纹 机理：钢种的淬硬倾向越大 越易产生裂纹 焊接接头含H量H具有延迟作用 措施：选择低C微量多合金 低H焊接材料 控制H来源烘干焊条清理焊件焊丝 加入合金元素提高塑性 预热 后热 缓冷清除应力集中部位）2.淬硬脆化裂纹（淬硬组织在焊接应力下产生的裂纹）3.低塑性脆化裂纹（应变超过了塑性储备量所产生的裂纹）】塑性变形：当

16、外加应力超过屈服极限时 物体不能完全恢复原来的形状而使一部分变形保留下来 这部分参与变形称为塑性变形。特点（不可逆性 不均匀性 伴随材料性能变化）塑性变形失效：材料产生的塑性变形量超过允许的数值 从而影响构件执行正常功能。措施（合理选材-Os高的 准确设计 严格工艺-减小内部应力）蠕变：金属长时间的低温恒压力作用下缓慢产生塑性变形的现象。蠕变过程：减速-恒速-加速蠕变阶段。 蠕变极限（高温长时间载荷作用下材料塑性变形抗力指标 蠕变极限越高 材料抗高温蠕变性能越好）措施（用抗蠕变性能材料 防止超温使用）应力松弛变形失效：随时间增长 蠕变逐渐增加的塑性变形代替原来的弹性变形 使零件内应力逐渐降低的

17、现象。 当保持应力恒定就产生蠕变 保持应变恒定产生松弛。断裂失效：过程（裂纹萌生-裂纹扩展-断裂阶段）分类【按微观断裂机理（韧窝 蠕变 解理 沿晶 疲劳）断裂路径（穿晶 沿晶 混晶） 断裂性质（韧性 脆性和疲劳断裂）】韧性断裂：构件断裂前产生显著的宏观塑性变形的断裂。韧性（断裂前吸收塑性变形功和断裂功能力）宏观特征（1.断口附近有明显宏观塑性变形2.断口呈杯锥状3.断口表面呈纤维状）微观特征【在断口上存在大量韧窝（韧窝花样：材料在微区范围内塑性变形的孔洞 形核长大 最后连接断裂后断口留下的痕迹-是韧性断裂的必要条件 不是充分条件）等轴 剪切 撕裂韧窝-对于同一材料 撕裂条件相同时 韧窝越大 材

18、料韧塑性越好】脆性断裂：构件未经明显的变形而发生的断裂。特点（无明显塑性变形 断裂前吸收能量低 断裂速度快） 宏观特征（断裂面通常与拉伸应力垂直 人字条纹和山形条纹）微观断口形貌和机理：解理断裂（在一定条件下 当外加正应力达到一定数值后 以极快的速度沿一定晶体平面产生穿晶断裂 此晶体平面为解理面。 特征：解理台阶 河流、舌状花样）准解理和解理断裂的区别（准解理平面不是晶体学解理面 解理断裂纹起源于晶界 准解理裂纹源于晶内硬质点，河流花样粗糙明显，不是一种独立的断裂机理是解理断裂的变种）沿晶断裂：最基本的微观特征为有晶界刻面的冰糖状形貌。脆性断裂影响因素：内因（钢材质量和冶金缺陷）外因（应力状态

19、加载方式构件构造温度）措施（应力集中减小到最低限度 结构材料有一定韧性 提高材料质量 控制温度和环境介质）疲劳断裂：变动载荷作用下 零件经过较长时间工作或多次应力循环后发生的突然断裂现象。分类【按应力状态（弯曲 扭转 拉压疲劳）环境（腐蚀 热 接触）破坏原因（机械 腐蚀 热）】宏观形貌【疲劳源（裂纹萌生地 疲劳破坏起始点）疲劳区（疲劳裂纹扩展区）贝纹线（以疲劳源为中心的近似于平行的一簇向外凸的向心圆 作用-找到疲劳源 判断韧性和脆性）瞬断区（疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。应力越大 瞬断区面积比例越大）】微观形貌（疲劳辉纹 轮胎压痕花样）影响疲劳断裂的因素：应力 零件尺寸 表面状况 环境介质 加载顺序内因：化学成分（疲劳强度随C增高而增加 合金元素通过提高淬透性改善组织）显微组织（细化晶粒提高疲劳极限 夹杂物越多疲劳极限越低）外因：表面状态（表面光洁度越高疲劳极限越高 缺陷引起应力集中）尺寸效应（尺寸增加疲劳极限降低 截面尺寸突变处应力集