《材料科学与工程概论》课件第9章

第9章材料的失效与防护工程9.1失效与失效分析的基本概念9.2失效的分类9.3失效分析的分析思路和步骤程序9.4失效诊断技术和方法9.5金属材料的失效模式及失效机理9.6陶瓷材料与高分子材料的失效模式及失效机理9.7材料失效的预防9.8零件的缺陷与无损检测技术9.9材料选用的一般原则

9.1失效与失效分析的基本概念

失效是指材料(机电产品)失去正常工作应具有的效能的现象。

9.2失 效 的 分 类

1．按失效发展过程和速度、失效的工程含义分类

1)按产品失效的发展过程分类

按照“浴盆曲线”的形状，即按照产品失效发展过程，可以将整个失效过程分为以下三个：

(1)早期失效期。

(2)偶然失效期。

(3)磨损失效期。图9-1失效率与使用时间的关系曲线

2)按产品失效发生的速度分类

按产品失效发生的速度分，失效可分为突然失效、渐进失效、间歇失效三类。

3)按产品失效的工程含义分类

(1)按其整体性可分为系统失效、部件失效。

(2)按其修复的可能性可分为暂时失效、永久失效。

(3)按其相关性可分为独立失效和从属失效(关联失效和非关联失效)。

2．按“经济法”观点分类

机械产品的失效会造成一定的经济损失甚至人员伤亡，往往会引起赔偿和责任的诉讼。失效法按“经济法”的观点分类是为了分清和判处失效的法律责任和经济责任。这种分类方法在处理索赔的失效事件时尤为重要。

3．按失效模式和失效机理分类

按失效模式和失效机理的具体分类见表9-1。

9.3失效分析的分析思路和步骤程序

9.3.1失效分析的分析思路

从本质上说，失效是材料累计损伤过程，而且整个损伤发展过程都是有条件、有规律的。因此，在失效诊断中，应以反映失效规律与过程的思路，按照一定的程序来进行。9.3.2失效分析的步骤和程序

在多数情况下，特别是机械事故发生时，往往有大量零件同时遭到破坏，情况很复杂，而失效原因也错综复杂、多种多样。因此，正确进行失效分析必须有一个合理的失效分析程序。图9-2通用失效分析实施步骤和程序框图

1．保护失效现场

保护失效现场的一切证据，维持原状、完整无缺和真实不伪，是供失效分析得以顺利有效进行的先决条件。失效现场的保护范围视机械设备的类型及其失效发生的范围而定。

2．侦查失效现场和收集背景材料

失效现场侦查应由授权的失效分析人员执行，并授权收集一切有关的背景资料。失效现场侦查可用摄影、录像、录音、绘图及文字描述等方式进行记录。

3．制定失效分析计划

只有极少数的情况下，通过现场和背景材料的分析就能得出失效原因的结论。大多数失效案例根据现场侦察和背景材料相结合的综合分析结果来制定“失效分析计划”，确定进一步分析试验的目的、内容、方法和实施方式。

4．执行失效分析计划

失效分析的各项试验应严格遵守计划执行，要有详细记录，随时分析试验结果。

5．综合评定分析结果

授权的失效分析人员，要经过充分的讨论，对现场发现、背景材料及各项试验结果做综合分析，确定失效的过程和原因，得出分析结论。在复杂的失效案例下，可采用故障树或其他形式的逻辑图分析方法。在大多数情况下，失效原因可能有多种，应分清主要原因和次要原因。

6．研究评定补救措施和预防措施

失效分析的目的不仅限于弄清失效的原因，更重要的还在于研究提出有效的补救措施和预防措施。

7．起草失效分析报告

失效分析报告一般没有统一的格式，但行文要简练，条目要分明，内容一般应包括下列项目：题目；任务来源；各项试验过程及结果；分析结果；补救措施和预防措施或建议；附件(原始记录、图片等)；失效分析人员签名及日期。

8．评审失效分析报告

失效分析评审会的组织形式及其参加人员可由有关方面协商决定，一般由失效分析工作人员、失效设备的制造厂商代表、用户代表、管理部门代表、司法部门代表和聘请的其他专家组成。

9．提出失效分析报告

失效分析报告通过评审后，按评审决议修改并制定成报告的正式文本，内容项目除上述外，还应增加三项：评审意见，包括评审人员签名及日期；呈送及抄送单位，包括抄送“反馈系统”；密级。

10．反馈失效分析成果

反馈系统是失效分析成果的管理系统，目的在于充分利用失效分析所获得的宝贵技术信息，推动技术革新、促进科学技术进步和提高产品质量。

9.4失效诊断技术和方法

9.4.1断口诊断技术和方法

1．断口的选取、清理与保护

大型设备、零件失效后的残骸体积大、质量重，难以运输和在实验室观察，需要选取典型断口进行分析。

2．断口形貌诊断方法和技术

对断口和裂纹进行观察分析一般包括宏观观察分析和微观观察分析两个方面。9.4.2痕迹诊断技术和方法

1．痕迹及痕迹分析概述

力学、化学、热学、电学等环境因素单独地或协同地作用于机械，并在其表面或表面层留下的损伤性标记称为在机械表面痕迹，简称痕迹。

2．痕迹的发现和显现技术及方法

对大的机件，如飞机、汽车、大型压力容器等现场调查中，应着重在现场从机件或零件的表面颜色变化、表面结构变化、形貌变化等肉眼易见的特征上来发现痕迹。

3．痕迹的诊断技术和方法

1)痕迹的成分诊断

痕迹的成分诊断即是对留痕物上的表面附着物、金属粘结物的元素种类和含量进行分析，以确定造痕物的种类。

2)痕迹的组织结构与性能诊断

痕迹的组织结构诊断一般采用表面微区晶体结构分析技术。所谓晶体结构分析技术，就是指对晶体中原子在点阵中的排列方式、点阵类型和结构以及点阵畸变和点阵缺陷等进行分析。9.4.3腐蚀诊断技术和方法

1．腐蚀和磨损产物的形貌诊断

腐蚀和磨损产物主要包括附着在失效件表面的各种腐蚀产物、磨屑等。不同金属的表面腐蚀形貌各不相同，同一金属在不同的腐蚀时期也具有不同的形貌。金属表面的腐蚀形貌特征可利用各种光学和电子显微镜来观察。利用专用的动态形貌仪——铁谱仪可观察磨屑的形貌特征。

2．腐蚀和磨损产物的成分诊断

腐蚀和磨损产物的成分诊断包括常规成分分析、局部成分分析、表面成分分析和微区成分分析等四种。

3．腐蚀和磨损产物的结构诊断

腐蚀和磨损产物的结构诊断一般采用X射线结构分析技术和电子衍射分析技术。9.4.4失效原因诊断技术和方法

对一般的失效事件来说，失效原因的诊断往往是失效研究的核心和关键，它对于失效预防的针对性和预防性是重要的前提和基础。

9.5金属材料的失效模式及失效机理

金属材料在使用过程中常见的失效形式主要有变形、断裂和表面损伤三种，其具体分类如图9-3所示。图9-3金属材料的失效模式

1．变形失效

1)弹性变形失效

大多数机器零件在工作时都处于弹性变形状态。一般零件在一定载荷下只允许一定的弹性变形，若发生过量的弹性变形就会造成零件失效，影响加工精度、加速磨损、降低承载能力和增加噪声等。

2)塑性变形失效

绝大多数机器零件在使用过程中不允许产生塑性变形，但有时由于偶然的原因产生过载或材料抗塑性变形能力的降低，也会使零件产生塑性变形。当塑性变形超过允许量时零件就会失去其应有的效能。

2．断裂失效

断裂是指零件在工作过程中由于应力的作用完全分为两个或两个以上部分的现象，致使机器设备和零件无法工作。材料的断裂过程包括裂纹形成和扩展两个阶段。

根据断裂方式可将其分为塑性断裂、低应力脆性断裂、疲劳断裂和蠕变断裂等。

3．表面损伤失效

零件在工作过程中，由于机械与化学的作用，使工件表面受到严重损伤而不能继续正常工作，这种失效称为表面损伤失效。表面损伤失效大致分为磨损失效、表面疲劳失效和腐蚀失效三类。

9.6陶瓷材料与高分子材料的

失效模式及失效机理

陶瓷属于无机非金属材料。绝大多数陶瓷是一种或几种金属元素与非金属元素形成的化合物。其结合键为离子键或共价键，通常是它们的混合键。根据高分子材料所受的负荷条件，失效破坏的基本模式有以下几类：

(1)直接加载下的断裂。

(2)疲劳断裂。

(3)蠕变断裂。

(4)环境应力开裂。

(5)磨损磨耗。

9.7材料失效的预防

9.7.1常用的预防失效技术

1．结构和尺寸设计

在设计零件的结构和尺寸时，设计人员首先要充分评估零件复杂的受力条件和恶劣的服役环境，避免零件材料因承载能力不足而导致断裂或腐蚀失效；其次，结构设计时，应减少应力集中。

2．选材

设计人员要针对具体的工作条件，突出与工作条件相对应的性能指标，即选用的性能指标能够反映材料对实际服役条件(如载荷性质、介质、温度)的抗力。

3．加工工艺与安装

按工艺规程进行加工，控制零件尤其是高强钢零件及具有缺口敏感性零件的制造质量。

4．使用与保养

按操作和维修规程进行使用与保养，可减少环境损伤失效。9.7.2金属和陶瓷材料腐蚀的控制与防护技术

1．合理的结构设计和工艺设计

合理的结构设计对于防腐蚀来说是十分重要的。

2．根据使用环境选择耐蚀材料

腐蚀是由于材料表面与周围环境介质发生作用而产

生的。

3．采取各种改善腐蚀环境的措施

环境因素对材料的腐蚀速度影响很大。在可能的条件下，为减少腐蚀可按以下原则改变环境条件：

(1)降低温度。

(2)降低腐蚀介质的流速，但对于钝化的金属和合金，应避免静止溶液。

(3)除去水溶液中的氧。

(4)降低腐蚀介质中的离子浓度。

(5)添加缓蚀剂。

4．表面保护

用各种方法在材料表面施以涂层，既不改变基体材料的性质，又能提高其耐蚀性，是一种应用十分广泛的防腐蚀措施。防护涂层根据其性质，可分为以下几种类型：

(1)金属涂层。

(2)无机涂层(陶瓷或玻璃)。

(3)有机涂层。

(4)化学转化膜。

5．阴极和阳极保护

阴极保护是将电子供给金属结构以达到防腐的目的。9.7.3高分子材料的防老化

1．化学方法

(1)利用高分子的反应(如交联、环化、氧化、取代等)改变高分子的结构，提高耐老化性能。

(2)共聚改性。利用防老单体进行共聚和接枝。

(3)改进聚合工艺，减少合成高分子中的不稳定结构(如双键、含氧基和支链等)。

2．物理方法

(1)添加防老剂。

(2)共混改性。

(3)改变聚集态结构。

(4)表面涂层。

9.8零件的缺陷与无损检测技术

9.8.1零件缺陷

1．材质缺陷

(1)裂纹。

(2)气泡。

(3)分层。

(4)发纹。

(5)麻点。

(6)辊印。(7)开裂。

(8)疏松。

(9)偏析。

(10)非金属夹杂物。

(11)白点。

(12)晶粒粗大。

(13)脱碳。

2．材料的加工缺陷

1)铸造缺陷

2)压力加工缺陷

3)焊接缺陷

4)热处理缺陷

5)表面处理缺陷

6)切削加工缺陷9.8.2材料的无损检测技术

无损检测技术是利用声、光、热、电、磁和射线等与被检物质的相互作用，在不损伤被检物质的内外部结构和