2024年材料断裂理论与失效分析知识点

作业：（8）航空发動机涡轮盘-叶片构造◆材料為镍基高温合金，為何？◆服役环境的要素有哪些？◆有也許发生的失效类型是什么？◆怎样设计试验确定失效的类型？◆改善的提议和措施一．涡轮叶片的材料涡轮叶片处在温度最高、应力最复杂、环境最惡劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，规定高，加工难度大，并且是故障多发的零件，一直以来各发動机廠的生产的关键。因此對涡轮叶片材料就有更高的规定。涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍為基础，加入其他的金属，例如钨、钴、钛、铁等金属，做成以镍為基础的合金。有的镍基高温合金含镍量到达70%左右，另一方面Cr含量也比较高。其性能重要有：1.物理性能。具有较高的熔點和弹性模量；各温度下均有较低的热膨胀系数，且随温度变化不大；没有磁性。2.耐腐蚀性。镍基合金由于含Cr，在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同步，由于Ni含量高，在還原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。還具有良好的耐应力腐蚀開裂性能，也能抵御氨气和渗氮、渗碳气氛。3.机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温時都具有很好的机械性能。4.高温特性。高温下耐氧化性极佳，對氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。5.热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通過热处理進行失效硬化，但可以進行固溶热处理和退火处理等。高温镍基合金比较轻易進行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与原则奥氏体钢同样，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工電弧焊。總的来說，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定，有害相少，高温時抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性杰出，可以在相称苛刻的高温环境下進行服役。因此涡轮叶片的材料选择高温镍基合金。二.涡轮叶片的服役环境涡轮处在燃烧室背面的一种高温部件，而涡轮叶片处在温度最高、应力最复杂、环境最惡劣的部位，即涡轮叶片的服役环境尤其的复杂与惡劣。總得来說，涡轮叶片服役环境的要素重要有：1.不均匀的高温条件下工作。涡轮处在燃烧室背面的一种高温部件，涡轮工作叶片的工作温度大概在720℃～1120℃，其在工作時已到达紅热状态，并且其温度場不均匀，伴随飞行状态的变化而承受不一样的温度，并且還存在高温氧化，這些都使得涡轮叶片的服役环境非常惡劣。2.高转速条件下工作。涡轮发動机靠涡轮叶片迅速旋转将燃气压缩排出，装化為机械能，為航天器提供動力。3.高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，還要承受燃气施加的很高的弯曲载荷、热应力，尚有振動应力和气動力等复杂的应力作用。4.受到燃气高频脉動及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气具有大量的Na，V，S等热腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更為苛刻。三．也許发生的失效类型根据涡轮叶片的服役环境，可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分為正常失效和非正常失效两种。1.正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中，内部冶金组织损伤是指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的变化，脆性相生成等显微组织的变化。导致的重要失效形式是蠕变失效，但同步尚有高温腐蚀、热疲劳和低周疲劳及其交互作用等。蠕变损伤重要体現為蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。大多数涡轮叶片的失效方式為正常失效方式，即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。2.非正常失效是由于叶片设计不妥、制备缺陷或人员操作不妥引起的失效行為，重要体現為高周疲劳、超温服役引起的過热甚至過烧等失效形式。總的来說，涡轮叶片也許的失效类型重要為：疲劳失效、蠕变失效和過载断裂等。四．设计试验确定失效的类型1.疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及對多种缺陷的敏感性等特點；引起疲劳断裂的应力一般很低，端口上常常可观测到特殊的、反应断裂各阶段宏观及微观過程的特殊把戏。經典的疲劳端口的宏观形貌构造可分為疲劳关键、疲劳源区、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的迅速扩展区及瞬時断裂区等五個区域。2.蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变時间逐渐增長，最终发生断裂。明显的塑性变形是蠕变断裂的重要特性，在端口附近产生許多裂纹，使断裂件的表面展現龟裂現象。另一种特性是高温氧化現象，在端口表面形成一层氧化膜。沿晶断裂截面上可以清晰地看到局部晶间的脱開及空洞現象，端口上存在与高温氧化及环境原因相對应的产物。3.過载断裂。金属构件发生過载断裂失效時，一般显示一次加载断裂的特性，其宏观端口与拉伸试验端口极為相似。過载断裂的微观特性為塑性变形痕迹及穿晶断裂特性。4.试验确定失效类型。（1）失效产品直观检查。首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观测断口的颜色，与否有其他的金属飞溅物，与否存在氧化膜。观测断口附近与否有明显的塑性变形，与否存在严重的掉快現象。（2）宏观分析。用扫描電镜观测端口的宏观形貌特性，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂纹的扩展方向；观测断口表面的条纹把戏，观测与否存在明显的疲劳源区（一般出目前构件表面）、扩展区（弧线、人字纹）、瞬断区（高塑性為纤维状，脆性為晶粒状或放射状），并确定断裂区于疲劳源区的相對位置；观测外围与否存在剪切唇。大体确定叶片的失效类型。（3）微观分析。用電子显微镜观测端口的微观形貌特性，寻找与否存在条状把戏，尤其是疲劳辉纹即具有一定间距的、垂直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状把戏。观测与否存在塑性变形痕迹，并确定断裂為穿晶断裂還是沿晶断裂。（4）相构造分析。用X-射线衍射XRD分析断口附近的相构成，并与叶片原材料镍基合金中的相构造進行對比，根据新生相或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂時或断裂前发生的变化。從而愈加精确的推断断裂失效类型。（5）应力分析。用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂時的应力状态，從而更好地辨别過载断裂与疲劳断裂和蠕变断裂，并可以用于辨别為疲劳断裂的哪一种类型。（6）热损伤分析。用硬度仪對叶片断口及附近進行硬度测量，并結合前面测出的断口附近的相组织，對叶片的超高温状态進行评价，分析叶片与否存在超高温過热迹象。通過對以上几步的成果進行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型。五.改善的提议与措施1.涡轮叶片材料。目前航空发動机涡轮叶片使用的材料重要是以镍、钴、铁為基的合金，其熔點在1800K左右。但為了為使航空燃气涡轮发動机在尺寸小、重量轻的状况下获得高性能，重要的措施是采用更高的燃气温度，這就使得涡轮叶片的工作环境更為苛刻。為了更好的使涡轮叶片适应更高的规定，可以加紧研发采用耐热性更高的铌或钼基合金。并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护。2.构造优化设计。（1）對涡轮盘和涡轮叶片的形状進行优化，減少涡轮旋转的摩擦与阻力，減少涡轮工作時的应力应变脉動。（2）采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的減少涡轮质量從而到达不需要太大提高燃气温度而提高发動机性能的目的。（3）优化涡轮盘及涡轮叶片，变化其固有频率，使固有频率与涡轮工作時的振動频率相差较遠，減少振動對涡轮的影响。（4）采用更有效的冷却系统，這可以有效的減少涡轮叶片的工作温度，延長涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的進口温度，增長涡轮发動机的性能。3.工艺优化设计。采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极大的提高涡轮的工作性能。（1）采用先進的制备工艺：先進的铸锻变形工艺——提高了坯件的质量与塑性；粉末冶金工艺——提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力學性能；喷射成形工艺——获得整体致密、成分均匀、组织细化、构造完整、靠近零件最终形状的材料坯件。（2）采用先進的成形技术：等温超塑性铸导致形——加工余量小，表面完整，组织均匀；靠近等温变形条件的涡轮盘铸造——提高高温塑性；直接热等静压成形——以最小的加工余量成形靠近零件最终形状的半成品。零件失效分析方案设计试验原理1．材料常見的失效形式及其判断措施；2．材料經典断裂失效断口的形貌及其特性；3.断口分析技术；4．裂源及裂纹扩展方向的鉴别；5.力學性能测试技术。失效分析⑴选择失效零部件，進行宏观外形与尺寸的观测和测量，拍照留据，确定重點分析的部位。⑵调查零部件的服役条件和失效過程。⑶查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。３.５：搜集资料：该零件在相似＼不一样工作条件下的实效形式，观测断口状况，记录有关信息；對本零件的实效也許性做出几种假设，在後来试验中留心有关证据，验证假设与否對的。（ＰＳ：有點类似人工智能的推理模式）⑷试验研究试验措施与环节1、對整個零件進行检查，包括（1）断裂形式、部位及塑性变形状况，并注意裂纹源区；（2）有無腐蚀痕迹；（3）有無磨损迹象；（4）表面状况（有無机械损伤，颜色变化，氧化及脱碳現象）；（5）原材料质量，加工缺陷等。（６）注意与假设對比：看与否有假设相似的，相似则深入验证其他的，不一样则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我們最终要得出的。2、断口宏观分析用放大镜观测断口表面，重要内容有（1）裂纹源与终止點；（2）断裂面、裂纹扩展方向；（3）断口附近的塑性变形状况；（4）断口与否清洁光亮；（5）断口构造特點、贝纹特性及终端区大小，（6）注意与假设對比：看与否有假设相似的，相似则深入验证其他的，不一样则做更多的假设．ＰＳ：一定要在假设中做一条我們最终要得出的。并拍照留据。3、断口硬度检测在断口附近取若干個样本检测點，用洛氏硬度计進行硬度检测并与原则硬度值進行比较。4. 金相检测在断裂件上截取金相试样，經镶嵌、打磨和抛光，再用3%硝酸酒精溶液侵蚀後在金相显微镜下進行显微组织观测。5.下結论：通過以上试验得出一种結论：對防止该类零件的实效提出提议：對本试验做一种總結：缺陷和長处，值得改善与发扬的地方。材料失效分析复习大纲一、材料失效分析總论1、失效定义：指产品(构件)因微观构造和外观形态发生变化而不能满意地到达规定的功能。2、失效的微观构造：原子的電子构造、原子间互相作用、原子团三维分布、显微组织形态。3、失效的外观形态：局部腐蚀、局部磨损、過度变形、表面异物。4、失效分析的内容（5项）：鉴定失效模式、界定失效缺陷、鉴定失效机理、确定失效起因、提出处理對策5、失效的五种模式：断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰減。6、失效机理：是致使构件失效所发生的物理、化學的变化過程，即失效的微观机制。例如：腐蚀模式下的電偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、點蚀等。7、失效的影响原因：材料选用不适、构造设计欠妥、制造质量一般、安装方式不妥、检测措施常规、组织性能劣化、维护過程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措施简朴、理制度不严（注意：考试時不规定所有列出，写出几种原因即可）8、失效分析的八個方面：设计、材料、制造、安装、检查、操作、维护、环境。9、失效分析的重要环节：現場检查：运行史、工艺流程、图紙查對、取样等；外观检测：断口(缺陷)宏观形态及异物等观测与分析；微观分析：断口(缺陷)的微观形貌观测与成分测定；性能检查：材料力學、物理、化學等性能的试验评估；环境评估：工况介质、异物等测试与评价；模拟试验：失效現象的再現和验证（按需進行）；事故結论：分析成果必须迅速、對的；处理對策：治理方案应當简朴、有效。10、失效分析工作者应有的素质：(1)品德高于技术：实事求是，客观公正，敬业负责；(2)调查重于理论：深入現場，观测迹象，寻找旁证；(3)宏微观相結合：宏观是表象,微观是本质,分析要精确；(4)综合知识并重：勤學多問，理论与实践相結合；(5)团体合作至上：個人知识有限，集体力量無限；(6)系统完整严密：前後一致，因果一致，推论可信；(7)迅速對的有效：分析迅速，結论對的，实行有效。二、金属的断裂1、脆性断裂特點：①断裂時承受的工作应力很低，一般低于σ0.2；②裂纹源總是從内部的宏观缺陷处開始；③T↓，脆断倾向↑；④断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射性把戏。2、断裂途径①沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的過程。多為脆断（氢脆断裂），少数為韧性断裂（高温蠕变断裂）。②穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的過程。可以是韧性的（微孔汇集型断裂），也可以是脆性的（解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂）。3、解理断裂定义：這是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，一般断裂面是严格沿一定的晶面（解理面）而分离。注意：一般解理断裂總是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。4、断口三要素及其应用：三要素：纤维状区、放射状区、剪切唇区。应用：根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向。（1）裂纹源位置确定：①运用纤维区，一般状况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维区的位置就找到了裂源的位置；②运用放射区形貌特性，一般状况下，放射条纹的收敛处為裂源位置；③根据剪切唇形貌特性来判断，一般状况下裂纹处無剪切唇形貌特性，而裂源在材料表面上萌生。（2）裂纹扩展方向确实定：①纤维区指向剪切唇；②放射条纹的发散方向；③板状样展現人字纹其反方向為源扩展方向。5、解理断裂微观特性：扇形把戏、解理台阶、河流把戏、舌状把戏、青魚骨把戏、瓦纳线。6、影响断裂韧性KIC的原因：（1）内部原因：①化學成分：细化晶粒元素，提高强度和塑性，KIC提高；强烈固溶强化的元素使KIC下降；形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，減少KIC。②基体相构造和晶粒大小：面心立方构造，KIC高；晶粒小，KIC高。（2）外部原因：①温度：T↓，KIC↓；②应变速率：应变速率↑，KIC↓；应变速率↑10倍，KIC↓10％；當应变速率很大時，绝热状态，局部升温，则KIC↑。7、断裂韧性KIC与冲击吸取功AKV之间的关系：①由于裂纹缺口、加载速率不一样，两者随温度变化曲线不一样样；②由KIC确定的韧脆转变温度比AKV的高。8、作业題（重點）：問題1：一批锻件毛坯在抽样检查時，发現屈服强度与断面收缩率均不满足规定，检查人员根据断口特性决定采用正火处理，再检查性能所有合格。试問：1、检查人员看到断口有何特性？答：結晶状脆性断口（過热脆性結晶状断口）。2、产生的原因是什么？答：产生原因：①铸造温度過高，使原奥氏体晶粒過度粗大；②压下量局限性，晶粒破碎不够；③终锻温度過高，发生了晶粒長大，使晶粒過粗或粗细不均。3、正火後為何强度和塑性均有提高？答：正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。問題2：在什么条件下易出現沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？答：①晶粒過度粗大——细化晶粒处理；②晶界弱化——净化晶界；③环境介质——改善工作环境；④热应力——退火消除。三、环境断裂1、环境断裂定义：重要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力脆断現象。2、SCC（应力腐蚀断裂）影响原因及防止措施：影响原因：①应力：拉应力；②环境介质：材料對介质具有选择性；③成分：高强钢中的碳含量、铝镁合金中Mg含量；④热处理工艺：T6、T76、T77(RRA)。防止措施：減少应力；表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力；变化腐蚀介质；合理选材；電化學保护3、氢脆断裂：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。分為内部氢脆和环境氢脆两种类型。4、過热断口和過烧断口的定义及断口形貌特性：（1）過热断口：材料在热锻、热轧或热处理加热時長時间停留，由于晶粒粗大而引起的低应力脆断。断口形貌特性：①宏观形貌：過热钢呈石状，颜色浅灰，無金属光泽；②微观形貌：經典的延性沿晶断口。過烧断口：材料在超過過热温度下加热，由于晶界上出現氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及魏氏组织而引起的低应力脆断。断口形貌特性：所有為石状，颗粒粗大，颜色灰暗，严重過烧時出現豆腐渣状断口。铝合金過烧後，表面出現許多气泡，晶界熔化成网络状熔化节。高周疲劳、低周疲劳和热疲劳定义：高周疲劳：材料在低应力（σ＜σ0.2）的作用下而寿命较高（Nf＞105）的疲劳。低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材料的局部应力往往超過σ0.2，在断裂過程中产生较大塑性变形，是一种短寿命（Nf＜102—105）的疲劳。热疲劳：由温度起伏（升高或減少）或热循环效应引起的疲劳损壞。如热轧辊、热压模具表面出現的“龟裂”。6、疲劳断裂三個過程：疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展、断裂。7、疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）区别：①疲劳辉纹是显微特性线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的；②贝纹线是宏观特性线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等导致的。辉纹线的四要素（特點）：①辉纹互相平行并且垂直于局部裂纹扩展方向；②辉纹间距随循环应力强度因子振幅而变化；③辉纹個数等于负载循环次数；④一般断面上一组辉纹是持续的，其長度大体平行；相邻断面上的辉纹不持续。四、断口分析技术1、主裂纹与二次裂纹的鉴别（规定會用三种措施：T型法、分叉法、变形法来分析）（1）T型法：若一种构件上产生两条裂纹或几种碎片合拢起来，其裂纹构成“T”型，一般状况下，横穿裂纹A為首先開裂的，這時可以认為A裂纹阻碍了裂纹B的扩展，A為主裂纹，B為二次裂纹，裂源位置也許在O或O’处。如下图所示：分叉法：一般状况下，裂纹分叉的方向為裂纹扩展方向，其反方向指向裂纹源O點处。即分叉裂纹為二次裂纹（B、C、D），汇合裂纹為主裂纹A。如下图所示：变形法：根据变形量的大小来鉴别。变形量大的部位為主裂纹A，其他部位為二次裂纹，裂源在主裂纹所形成的断口上。如下图所示：裂纹源于裂纹扩展方向的鉴别（位置鉴别和鉴别措施）：裂源也許位置：材料表面、材料次表面、材料内部（夹渣、气孔等地）、应力集中处（尖角、油孔、凹槽及划痕等）。裂源的鉴别措施：运用断口宏观形貌特性来鉴别①根据断口三要素，裂源位于纤维区中心、放射线或人字纹收敛处、無剪切唇处；②若為疲劳断口，裂源位于平滑区及疲劳前沿线曲率半径最小处；③若為环境断裂，裂源位于氧化或腐蚀最严重的表面或次表面。五、复合材料的失效分析1、复合材料的性能重要取决于什么？（4點）①弥散组元；②基体的固有性能；③弥散组元的几何原因(尺寸和形状)；④弥散组元与基体之间界面的特性。环境条件對复合材料性能惡化的影响：温度的和化學的环境条件對复合材料性能的影响很大：（1）温度的影响是三重的：①纤维和树脂不一样的膨胀系数导致内应力的产生；②组元(尤其是树脂)的性能随温度而变化；③蠕变抗力随温度而剧烈变化。（2）化學环境的影响：①湿气對树脂性能惡化；②水能從玻璃纤维中浸出可溶性氧化物,從而生成表面凹坑；③在酸性环境中,玻璃纤维复合材料由于氢离子互换過程而产生应力腐蚀，引起玻璃的表层收缩，在表面产生巨大的拉应力，從而減少了玻璃的强度。复合材料的应力-应变曲线分析：假如纤维所占的体积百分数足以承受载荷(即在纤维临界体积V以上時)，则基体(以及复合材料)将断裂多次，使單向纤维增强复合材料的拉伸曲线展現出左图所示形状。可以看到，纤维的损壞导致纤维被拉出，從而吸取更多的能量，使得复合材料具有非劫难性断裂的特性。六、磨损破壞1、磨损定义：接触物体作相對运動時,因机械、物理-化學作用导致表面材料分离，使表面形状、尺寸、组织及性能发生变化的過程称磨损。一、失效的基本概念所谓失效——重要指机械构件使用過程中由于尺寸、形状或材料的组织或性能发生变化而引起的机械构件不能完好完毕指定功能或丧失本来设计功能的現象。一种机械零部件被认為是失效，应根据与否具有如下三個条件中的一种為判据：（1）零件完全破壞，不能工作；（2）严重损伤，继续工作不安全；（3）虽能临時安全工作，但已不能满意完毕指定任务。上述状况的任何一种发生，都认為零件已經失效。二、失效的形式机械零部件最常見的失效形式有如下几种：1．断裂失效：一般包括塑性（韧性）断裂失效；低应力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应力腐蚀断裂失效。2．表面损伤失效：一般包括磨损失效；腐蚀失效；表面疲劳失效3．变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效同一种零件可有几种不一样失效形式。一种零件失效，總是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导失效的。但它們可以组合為更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。三、失效分析目的1.防止同类失效現象反复发生2.失效分析是改善机械产品设计及制造工艺的根据3.消除隐患，保证机械产品安全可靠4.失效分析可以提高机械产品的信誉此外，失效分析還能為产品的仲裁、索赔，制定指令性文献等提供重要根据。失效分析對质量控制、材料的发展及规划、仪器设备的對的维护和使用等也可提供合理化意見。四、失效分析措施1.原始资料的搜集原始资料指工件服役前的所有經历、构件的服役历史和断裂時的現場状况等。（1）构件服役前的經历首先要理解构件设计根据，另一方面是理解构件的制造和加工工艺，然後理解构件的物理性质、力學性能和化學成分分析的检查汇报，最终理解构件的安装及试車状况等。（2）构件的服役历史实际上很难懂得构件的所有服役历史，這就必须從零星的使用状况综合工件服役時的负载变化，尽量從使用条件中得到某些分析根据。（3）現場记录及残骸的搜集断裂失效发生後，规定分析人员亲临現場，深入理解发生時的多种条件和事故過程。對于散落的碎片，均应观测其所处位置、环境、取向，經详细记录或摄影方可移動。同步還应注意损壞构件与其他构件之间的关系，并且记录。搜集碎片应尽量齐全，尤其是首先断裂的部分。除沾著的腐蚀性介质应即時洗去，對端口上的其他物质，一般不处理，待進行详细断口观测後再处理。2.断口分析断口分析是断裂失效分析的最重要的分析過程。断口观测包括宏观和微观观测。（1）断口的宏观观测断口的宏观观测是指用肉眼、放大镜、光學显微镜及扫描電镜的低倍观测。首先用肉眼或放大镜观测断裂构件的外貌，应尤其注意构件碎片的表面观测，看看有無加工缺陷，与否存在应力集中地微弱环节以及表面损伤。接著，根据断口的宏观特性来确定裂纹源及裂纹的扩展方向。（2）断口的微观观测断口的微观观测一般应用電子显微镜。通過對断口的微观观测可以深入澄清断裂的途径、断裂的性质、环境對断裂的影响等原因外，還将找出断裂的原因及断裂机理。应用扫描電镜可直接观测实物断口表面，可持续放大。電子图像立体感强，是分析断裂失效最有力的工具。3．化學分析在失效分析中，為了查明材料与否符合规定规定，必须進行化學成分分析。4.金相检查金相检查在断裂失效分析中也是常常应用的一种重要手段，有些损壞构件往往只需做金相检查就可以查明损壞的原因。金相检查重要内容有晶粒大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的变化，以及夹杂物、疏松、裂纹、脱碳等缺陷。5.模拟试验所谓模拟试验，是指把已知条件下断裂的断口形貌与未知条件下断裂者進行比较，從而初步判断分析与否對的，也称為對比试验。实际状况中，要對实际失效進行所有模拟是很难做到的，不過對其中一种或者两個参数或参量進行模拟，還是可以办到的。6.综合分析失效分析進行到一定阶段，需要對多种检查和试验所得成果和基本试验数据進行全面的分析研究。一般而言，可以從多种检测成果、试验数据和记录的综合分析中，得出失效分析的一种或几种重要原因，并且提出改善措施。最终，应做出全面详细的失效分析汇报：（1） 失效构件的描述（2） 失效時服役条件（3） 失效前服役条件（4） 构件制造及热处理過程（5） 失效构件材料冶金质量评估（6） 多种物理、化學、力學试验（7） 失效重要原因及其影响原因（8） 防止措施及其改善意見等三、试验内容与环节㈠试验内容失效分析的目的⑴防止同类失效現象反复发生⑵失效分析是机械产品设计、制造的根据⑶消除隐患，保证产品安全可靠⑷失效分析可以提高产品的信誉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為：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提成若干部分的現象。它是個動态的变化過程，包括裂纹的萌生及扩展過程。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毕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变形失效所谓变形一般是机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的現象。從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，晶格畸变亦消除時，這种变形為弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除時，称這种变形為塑性变形。变形失效是指机械构件在使用過程中产生過量变形，即不能满足原设计规定期变形量。一般状况下将变形失效分為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無关；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對运動時，表面逐渐分离出磨屑而不停损伤的現象。磨损失效是指由于磨损現象的发生使机械零部件不能到达原设计功能，即不能到达原设计水平。磨损失效的类型有：①粘著磨损失效；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學或電化學反应而引起的损伤現象。金属腐蚀虽然在酸洗、化學電源、電解加工、金相浸蚀等方面起著有益于人类的作用，不過它在国民經济上所导致的损失是相称严重的。由于腐蚀作用是机械构件丧失原设计功能的現象称為腐蚀失效。腐蚀失效的类型有：①直接化學腐蚀失效；②電化學腐蚀失效；③點腐蚀失效；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。失效分析措施進行失效分析時，首先要理解失效分析程序。由于机械构件多数是在运行過程中发生断裂失效的，每當一种零部件断裂损壞時，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有著拾分亲密的关系。查找原因時要從设计水平、材料质量、加工状态、维修状况、装配精度、工作环境、服役条件和操作措施等原因中找出导致损壞的重要原因，并根据损壞的原因、机理、类型和阶段，進行分析判断，制定出改善措施。断裂過程是個動态過程，對断裂直接進行观测分析是比较难的；而断口是断裂的静态反应，假如對断口進行仔细观测和分析就能找出断裂的原因、机理等。由于断口如实地反应了机械构件断裂的全過程，及机械构件裂纹的萌生与扩展過程，断口分析是机械构件断裂失效分析的一种重要手段。為了获得更好的分析效果，對這一分析手段還必须辅以一系列其他的检查措施，如無损检测、机械性能试验、金相检查、化學分析、X射线分析、断裂韧性试验、電子能谱分析、模拟试验等。最终将上述分析和试验的成果与数据進行综合分析，并提出改善措施，写出失效分析汇报。⑴原始资料的搜集原始资料是指构件服役前的所有經历、服役历史和断裂時的現場状况等。此外，還要從散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其他检测用的试样材料。⑵碎片（或断片）的选择与保留①主裂纹的鉴别進行断口分析時，首先要选择最先開裂的构件断口。有時一种构件在断裂過程中形成几种断片時（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。常常使用的主裂纹的鉴别措施有：T型法，分枝法，变形法和氧化法等四种措施。四种鉴别措施如图所示。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，往往在出現一种裂纹後，产生诸多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向一般為裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹為二次裂纹，汇合裂纹為主裂纹。变形法将散落的断片按相匹配断口合并，构成本来机械构件的几何形状，测量其几何形状的变化状况，其变形量较大的部位為主裂纹，其他部位為二次裂纹。氧化法在受环境原因影响较大的断裂失效中，检查断口各個部位的氧化程度，其中氧化程度最严重者為最先断裂者即主裂纹所形成的断口，由于氧化严重者阐明断裂的時间较長，而氧化轻者或未被氧化者為最终断裂所形成的断口。分叉法A:主裂纹;B分叉法A:主裂纹;B、C、D：二次裂纹；O:裂源变形法A：主裂纹；B、C：二次裂纹；氧化法A:主裂纹形成的断口部分；B:二次裂纹形成的断口部分；O:裂源T型法A:主裂纹；B：二次裂纹；O：裂源②二次裂纹的选择断裂失效分析過程中，主裂纹所形成的断口损伤很严重而不能提供断裂形貌特性時，则要分析研究二次裂纹所形成的断口。二次裂纹的鉴别措施如上所述。二次裂纹的类型有：分枝的二次裂纹；横向取向的二次裂纹。运用二次裂纹选用断口试样重要是下面几种状况：1）主裂纹化學腐蚀严重。如环境断裂条件下，主裂纹不能提供断口形貌特性時；2）擦伤严重的主裂纹断口不能反应断裂形貌特性；3）高温条件下的主裂纹断口，往往有一层较厚的氧化膜；4）分析研究断裂机理、断