失效分析期末复习.doc

第一章 绪论材料的定义：材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和物理性状的物质。失效：产品丧失规定的功能称为失效。产品失去规定的功能的含义：1.零件在外部环境作用下，部分的失去其原有功能，虽然能够工作，但不能完成规定功能；2.零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；3.零件虽然能够工作，也能完成规定功能，但继续使用时，不能确保安全可靠性；失效分析：定义：是指对失效产品为寻找失效原因和预防措施所进行的一切技术活动。就是研究失效现象的特征和规律，从而找出失效的模式和原因。与生产现场废品分析的异同点：涉及的专业知识、采用的思想方法及分析手段等方面，有许多共同之处。在分析的对象、分析的目的及判断是非的依据等方面是不同的。失效分析的对象是在使用中发生失效的产品。分析的主要目的是寻找失效的原因。漏检和技术标准不合理都可能是失效的原因，如果是后者，则应对技术标准修改。废品分析的对象是不符合技术标准的产品或半成品。它所讨论的问题是产品及产品为什么不符合技术标准的要求。至于产品的技术标准是否正确则不属于废品分析要解决的问题。第二章 材料结构基础（重点）材料结构的涵义：是影响材料性能的基本因素， 随化学组成及外界条件改变。原子中的电子结构（原子结构）：原子中电子的分布规律，尺度约为10-13m；使材料表现出金属、陶瓷和高分子性能，对材料的电学、磁学、热学、光学乃至耐腐蚀性能都有重大影响原子（或分子）排列结构：即原子或分子在空间的排列，尺度约为10-10m；原子排列结构严重影响材料的力学性能（强度、塑性、韧性等）显微组织结构：借助光学显微镜和电子显微镜观察到晶粒或相的集合状态，尺度约为10-410-8m；可观察到材料的线、面、体缺陷及表面缺陷。宏观组织结构：肉眼或放大镜所能观察到的晶粒或相的集合状态。电子壳层：在多电子的原子中，电子的能量也是不连续分布的，它们分布在不同的能级上，这种按层分布称为电子壳层。原子中电子壳层数目及填充方式：1. 电子壳层数目 n = 1， 2， 3， 4， 5 K L M N O 主壳层(shells) l = 0，1，2，3，4 由内向外 s p d f g 支壳层(subshells)2. 最多电子数目 K2，L8，M18 s2，p6，d10 3. 最外层 s12，p16，d110 4. 排列次序 1s-2s-2p-3s-3p-4s-3d-4p-5s 如： H (1) 1s1 Na (11) 1s2 2s2 2p6 3s1电子的统计性形态法描述：四个量子数 (Quantum Numbers) n , 第一量子数： 决定体系的能量 n = 1，2，3.（整数）， n =1 时为最低能级 K，L，M .l , 第二量子数：决定体系角动量和电子几率分布的空间对称性 l = 0，1，2，3，4 （n -1） n =1，l = 0 s p d f g 状态 n =2，l = 0，1 (s, p) m l , 第三量子数：决定体系角动量在磁场方向的分量 m l = 0，1，2，。，l 有（2 l+1）个 m s ，第四量子数：决定电子自旋的方向 +1/2，-1/2电子在原子中的某一运动状态是由n、l、ml和ms4个量子数确定的。电子的分布遵循的原理和准则：泡利不相容原理:原子中每个电子必须有独自一组四个量子数；一个原子中不可能有运动状态完全相同的两个电子；能量最低原则:电子总是按能量最低的状态分布；洪特规则:简并轨道，分占轨道最多，自旋方向相同。原子之间的相互作用和结合：自然界一般由原子或分子组成物质或材料，不论什么物质，其原子结合成分子或固体的力，从本质上都是源于库仑力。结合方式有两大类型，即基本结合（离子键、金属键、共价键）和派生结合（分子间作用力、氢键）各类键的定义、基本特点：基本键合 1.离子键合 ： 离子键 正离子负离子 库仑引力 特点： 电子束缚在离子中； 正负离子吸引，达静电平衡；电场引力无方向性; 构成三维整体晶体结构 ； 在溶液中离解成离子。2 . 金属键合 特点： 由正离子排列成有序晶格； 各原子最 (及次)外层电子释放，在晶格中随机、自由、无规则运动，无方向性； 原子最外壳层有空轨道或未配对电子，既容易得到电子，又容易失去电子； 价电子不是紧密结合在离子芯上，键能低、具有范性形变。3. 共价键合：两个原子共享最外壳电子的键合。 特点：两原子共享最外壳层电子对； 两原子相应轨道上的电子各有一个，自旋方向必须相反； 有饱和性和方向性。电子云最大重叠，1共价键仅两个电子。4. 混和键合 电负性：表示吸引电子的能力 同一周期 左 右 电负性增高 同一族 上 下 电负性降低派生键合作用力也是库仑引力（与离子键相同但弱得多,不存在电子交换） 1.分子间引力（Intermolecular Attraction) 分子（或电中性原子）间的结合力，又称范氏（van der Waals）力。 特点： 无方向性和饱和性 键能最小 2. 氢键 (Hydrogen bond) 质子给予体（如H）与强电负性原子X（如O、N、F、Cl）结合，再与另一强电负性原子Y（质子接受体）形成一个键的键合方式。特点： 有方向性，饱和性； 分子内氢键；分子间氢键； 键能: 一般为几 十几 kcal/mol固体中的原子有序 晶体几何学基础晶胞：代表晶体内部结构的基本重复单位（平行六面体）晶向：是原点出发通过某点的射线(或过若干结点的直线方向） 晶面：晶体内的阵点（组成的）平面。 晶面间距：晶面组中最近两晶面间的距离叫晶面间距六类晶体：金属晶体（重点） 金属键；无方向性；原子城圆球状密堆积 离子晶体 共价晶体 分子晶体 多晶 液晶典型金属结构晶体学特点结 构 特 征结 构 类 型 体 心 立 方 （bcc） 面 心 立 方 （fcc） 密 排 六 方 （hcp）点 阵 类 型体心立方面心立方简单六方点 阵 常 数aaa，c，c/a =1633最近的原子间距（原子直径）晶胞中原子数6配 位 数81212致 密 度0.74n 固体中的原子无序固溶体：杂质原子（或离子、分子）均匀分布（溶）于基质晶格中的固体 通常特征：杂质和基质原子共同占据原基质的晶格点阵；有一定的成分范围 - 固溶度根据溶质在点阵中的位置划分，固溶体可分为置换型、间隙型和非化学计量化合物晶体结构缺陷类型n 点缺陷的基本类型（空位、间隙、肖特基、弗兰克尔缺陷） n 线缺陷的基本类型（棱位错 、螺旋位错）扩散n 扩散机制（空位：一个原子与一个相邻空位交换位置多数金属和置换固溶体、间隙：间隙式固溶体H, C, N, O 、直接交换：极难，很少发生）n 扩散系数：D = D o e Q/RTn 固体物质的表面结构晶界：晶体材料内部成分、结构相同而取向不同的晶粒（或亚晶）之间的界面相界：材料中成分、结构不同的两相之间的界面 第四章 材料结构与失效分析方法成分分析n 表面分析（分析深度小于10nm） 俄歇光谱仪(AES)、光电子化学分析仪(ESCA)、二次离子质谱仪(SIMS)、离子散射光谱仪(ISS)、激光拉曼光谱仪(LRS)；n 次表面分析（分析深度小于1000nm） 电子微探分析仪(EPMA)、X射线荧光分析仪(XRF)、X射线衍射仪(XRD)、卢瑟福背向散射光谱仪(RBS)、穆斯堡尔光谱仪(MBS)；n 本体分析（材料内部化学成分） 原子吸收光谱仪(AA)、火花激发原子发射光谱仪(spark AE)、感应耦合电浆原子发射光谱仪(ECP-AE)断口形貌观察（在对断口形貌观察分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。）断口处理（干燥大气、断后被油污染、潮湿大气中锈蚀、腐蚀环境中断裂的断口、断口取样）1、在干燥大气中断裂的新鲜断口，应立即放到干燥器内或真空室内保存，以防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；对于在现场一时不能取样的零部件断口要采取有效保护措施，防止零件或断口的二次污染；2、对于断后被油污染的断口，要进行仔细清洗；3、在潮湿大气中锈蚀的断口。可用稀盐酸水溶液去除锈蚀氧化物，然后用水冲洗，再用无水酒精冲洗并吹干；4、在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，不要轻易将其去掉。当为了观察断口形貌特征而必须去除时，应先对产物的形貌、成分及相结构进行仔细分析后再予去除。腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。断口形貌观察常用的仪器：主要包括低倍放大镜、光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)或透射电子显微镜（TEM）;无损检测定义在材料完全破断前或破断初期，利用各种声、光、热、电、磁和射线等物理因子与待检测物质相互作用，在不破坏待检测物的内外部结构及其使用性能下，对其内部或表面缺陷位置、大小、形状、种类、分布等进行检测，以便及时采取补救措施，是材料失效的预警技术。常用方法:渗透检测法、涡流检测法、磁粉探伤法、射线透视法（X射线或射线）、中子束透视法及超声波探伤法；第五章 失效分析基础知识（一） 机械零件失效形式与来源 断裂失效的分类：根据断裂时变形量的大小：脆性和延性断裂；按裂纹的走向与晶粒的关系：穿晶和沿晶按断裂机制：微孔型、解理型、沿晶和疲劳断裂；从致断原因的角度： 过载断裂失效、 疲劳断裂失效、 材料脆性断裂失效、 环境诱发断裂失效、 混合断裂失失效的来源：设计与选材的问题；加工、热处理或材质上的问题；装配上的问题；使用、操作和维护不当的问题(二） 应力集中与零件失效应力集中：零件截面有急剧变化，引起局部地区的应力高于受力体的平均应力。材料的缺口敏感性：一般用缺口试样强度与光滑试样强度的比值NSR来表示材料的缺口敏感性。NSR值小于1说明缺口处还未明显发生塑性变形扩展就脆断，表示缺口敏感。在实际使用中NSR与尺寸因素、表面因素关系密切，尺寸越大、表面越粗糙，NSR越低）影响应力集中与断裂失效的因素：材料力学性能、零件几何形状、零件应力状态的影响、加工缺陷（三） 残余应力与零件失效残余应力的产生：1.热处理残余应力：热应力和组织应力叠加、2.表面化学热处理引起的残余应力：渗碳，渗氮后表层为残余压应力；渗氮产生残余应力时没有组织转变，过程单纯；影响渗碳淬火试样残余应力的因素：a、渗碳厚度 渗碳深度增加，外表层残余应力有减小倾向b、试样直径 相同渗碳厚度下，直径越大残余压应力越高c、钢种的影响、3.焊接残余应力：焊接是较容易产生残余应力的材料成型方式。在焊缝及热影响区由于焊接的热应力，组织应力和拘束应力共同作用产生复杂的残余应力场。焊接应力形成原因：直接应力：不均匀加热的结果。间接应力：焊前材料加工残留的应力叠加在焊接应力中。组织应力：尤其是热影响区的组织变化引起的组织应力、4.铸造残余应力：在构件截面内保持平衡而存在的残余应力；构件间相互保持平衡的残余应力；由于铸造型砂的阻力而产生的残余应力；铸件成分的影响、5.涂镀层残余应力：电镀利用电解原理在某些金属表面上镀上一薄层其它金属或合金的过程；激光相变强化用激光束扫描工件，使工件表层快速升温到Ac3临界点以上，受热层在光斑移开时，由于工件基体的热传导作用使温度舜间进入马氏体区或贝氏体区，发生马氏体相变或贝氏体相变，完成相变强化过程；热喷涂涂层利用热源将喷涂材料加热至溶化或半溶化状态，并以一定的速度喷射沉积到经过预处理的基体表面形成涂层的方法、6.切削加工残余应力：金属材料在进行切削加工时，在加工过程中产生的塑性变形。消除残余应力的方法：1、去应力退火:消除焊接、铸造和机加工残余应力；2、回火或自然时效处理:回火消除淬火产生的残余应力；自然时效适合热应力（铸造、锻造）、冷应力（机械加工）和焊接应力；3、机械法:加静载、加动载、振动时效（四） 材料的韧性与断裂设计低应力脆性断裂：（1）通常发生脆断时的宏观应力很低，按强度设计是安全的（2）脆断通常发生在比较低的工作温度下（3）脆断从应力集中处开始，裂纹源通常在结构或材料的缺陷处（4）厚截面、高应变速率促进脆断。韧性：材料从变形到断裂全过程中吸收能量的大小，是强度和塑性的综合表现；、韧脆转变温度：当试验温度低于TT时，材料将转变为脆性状态，吸收冲击功明显下降，为冷脆现象；设计时根据构件的工作温度来选取具有合适脆化温度TT的材料；强度条件并辅之以塑性，冲击值和韧脆转变温度的设计方法，可在较大程度上保证构件正常和可靠运行。应力场强度因子：反映裂纹尖端区域应力场的强度。Y-裂纹体的几何因子系数，它和裂纹形状、加载方式以及试样几何因素有关的量，为无量纲的系数。 Y=1-2。KIC 断裂韧度：KIC材料常数，反映材料的性能，在标准实验下对一种材料是定值。脆性断裂的安全判据：第六章 失效分析基本方法（一）失效分析的思路及方法：失效分析的思路是指在思想中以机械失效的规律为理论依据，把通过调查、观察和实验获得的失效信息分别加以考察，并有机结合起来作为一个通用整体，全面应用逻辑推理综合分析的方法，来判断失效事件的失效模式，并推断失效原因。基本原则： 按照失效整体观念原则 从现象到本质的原则 动态原则 一分为二原则（两分法原则） 纵横交汇原则（立体性原则）故障树分析法：每种零件都处于两种状态（完好与失效）中的一种。因此，设备也处于两种状态中的一种：正常或失效。所谓故障树分析就是分析各种事件（系统组元的状态变化）之间的逻辑关系，分清正常事件和异常事件（失效事件），再找出失效原因。 步骤：确定上端事件、资料收集分析、生成故障树、生成最小割集、收集故障率数据、计算上端事件发生概率、对基本事件重要度作评价、分析计算结果提出改进措施； 例1 设有一个简单的照明电路，由电源开关、保险丝、导线、灯泡组成。试建立室内失明为系统故障，建立一个初级故障树系统例2：以某型飞机主起收放系统为例说明建立故障树的主要工作程序。步骤1：选择顶事件；故障树顶事件是系统最不希望发生的事件。对于民机的起落架系统，最不允许发生、对安全影响最大的就是起落架不能放下或放下后未锁住。它可能直接导致机毁人亡。因此，选“主起落架不能放到位置”作为故障树的顶事件。步骤2：对设备的设计、制造、维修、使用等技术资料进行分析；确定边界条件顶事件：主起落架未放到位置；初始条件：起落架手柄置于“放下”位置，主起落架在收上位置，舱门关闭；假设：传动机构不会因行程方面的问题引起故障，切断活门和几个机械阀不会被卡住；导致管路和接头不会故障。主起落架的所有故障都是偶发的，不存在因磨损等引起的故障。 步骤3：采用手工或计算机合成故障树经过边建树和边简化，得到下面的故障树。（二）失效分析的程序与步骤失效分析的步骤：现场调查、收集背景材料、技术参量复检、深入研究分析、综合归纳所有信息并提出初步结论、重现性试验或证明试验、确定失效原因、提出建议并撰写分析报告（三）断口分析：（断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。）1、断口的宏观分析方法（主断面（主裂纹）和断裂源区宏观判断）（1）主断面（主裂纹）宏观判断 最初断裂件找到后，紧接着的任务就是确定该断裂件的主断面或主裂纹。所谓主断面就是最先开裂的断裂面。a. 利用碎片拼凑法确定主断面 ：密合程度好的为后断；密合最差的断面是最先开裂的断面，即主断面；b. 按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹 ：后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹而扩展 c. 按照裂纹的河流花样确定主裂纹 ：主裂纹是河流花样的主流，较宽，较深，较长d.变形法：变形量大的为主裂纹，其它部位为二次裂纹；e.氧化颜色法：氧化腐蚀比较严重、颜色较深的部位是主裂纹部位，二氧化腐蚀较轻、颜色较浅的部位为二次裂纹部位；f.疲劳裂纹长度法：疲劳裂纹长、疲劳弧线或条带间距密者为主裂纹或主断口，反之为次生裂纹或二次断口；注： 通常，脆性断裂可用T型法或河流法来判别主裂纹与二次裂纹；韧性断裂则可用碎片拼凑法或变形法来判别主次裂纹；环境断裂可根据氧化颜色法来区分主次断裂，而疲劳断裂常利用断口的宏观与微观特征形貌加以区分。（2）断裂源区的宏观判断 主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的基础。a.利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区 如果主断面上同时有纤维区（fibrous zone）、放射区（radial zone）和剪切唇区（shear lip） ，则裂纹源区在纤维区，且该断裂为过载断裂（静载断裂）。 纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样； 暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状； 其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区；放射区：具有放射花样特征（脆断特征） 放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向 纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45 切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状b.利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区 人字纹指向的末端即为裂纹源（板状试件或矩形截面的零件发生静载断裂）； c.根据断口上的放射花样确定裂纹源区 放射线的中心是裂纹源（圆形试件、缺口冲击件的静载荷断裂，应力腐蚀断裂及氢脆断裂）； d根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区 “贝纹”线的圆心为裂纹源（疲劳断裂）；e. 将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源f 根据断口上的色彩程度确定裂纹源区 氧化色（程度），锈蚀情况，油污 等g 断口表面的损伤情况 碰撞，摩擦 等 h断口的边缘情况 剪切唇，毛刺 等 在断口表面没有其他特殊花样存在的情况下，利用断口边缘的情况是判断裂纹源区及裂纹扩展方向的唯一和可靠方法。2. 断口的微观分析a、解理断裂：河流花样，解理台阶，舌状花样b、微孔型断裂：孔坑、塑坑、韧窝、迭波花样c、准解理断裂：平坦的“类解理”小平面、微孔及撕裂棱组成的混合断裂d、沿晶断裂：多边形图象（晶粒外形轮廓）、冰糖状形貌第七章 静载荷作用下的断裂失效分析过载断裂失效过载断裂定义：当工作载荷超过金属构件危险载面所能承受的极限载荷时，构件发生的断裂称为过载断裂脆性断裂断口宏观形貌：断口比较平齐光亮，常呈放射状、人字纹或结晶状，在光线照射下转动断口，有时可见闪闪发亮的小晶面。零件形状与几何尺寸的影响：圆形试件、矩形试件过载断裂形貌；冲击断口的宏观形貌材料致脆断裂失效分析回火脆化现象：大多数中、高碳钢淬火后必须经过回火处理提高韧性，在两个回火温度区间会出现冲击韧度明显降低的现象，断裂时常出现脆性，称为回火脆性现象。低温脆断：冷脆金属在转折温度以下发生的脆性断裂。环境致脆断裂失效分析：（应力腐蚀开裂、氢致脆断失效、低熔点金属接触致脆、高温长时致脆断裂（热脆）失效、蠕变断裂失效定义、脆断条件、断裂特点及形貌）（1）应力腐蚀开裂：应力腐蚀开裂系金属在应力（残余应力、热应力、工作应力等）和腐蚀介质共同作用下，而引起的一种破坏形式。应力腐蚀开裂的条件及其影响因素：仅当弱的腐蚀介质，在金属表面形成一层不稳定的“保护膜”时，才有可能发生应力腐蚀开裂。一定的拉应力和应变，压应力一般不产生应力腐蚀。对于每一种金属或合金来说，有其特定的腐蚀介质系统，即易于发生应力腐蚀破坏的金属-介质系统。材料的成分、组织和应力状态的影响。一般来说，介质的浓度和环境温度越高则较易发生应力腐蚀。断口的宏观、微观特征：（1）断口的宏观形态一般为脆性断裂，断口截面基本上垂直于拉应力方向。断口上有断裂源区、裂纹扩展区和最后断裂区。（2）应力腐蚀裂纹源于表面，并呈不连续状，裂纹具有分叉较多、尾部较尖锐（呈树枝状）的特征。（3）许多情况下，应力腐蚀裂纹也可以是沿晶和穿晶的混合型。第二相质点沿晶界析出易促使裂纹的沿晶扩展。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展。（4）应力腐蚀断口的微观形貌可为岩石状，岩石表面有腐蚀痕迹。严重时整个都为腐蚀产物所覆盖，此时断口则呈泥纹状或龟板状花样。 （2）氢致脆断失效氢脆：由于氢而导致金属材料在低应力静载荷下的脆性断裂，称为氢致断裂，又称氢脆。氢的来源：金属材料基体内残留的氢，冶炼、焊接、 熔铸；金属材料在含氢的高温气氛中加热时，进入金属内部的氢；金属材料在化学及电化学处理过程中，进入金属内部的氢；金属构件在运行过程中，环境也可提供氢；断口的宏观、微观特征：低熔点宏观断口齐平，为脆性的结晶状，表面洁净呈亮灰色；实际构件的氢脆断裂又往往与机械断裂同时出现，因此断口上常常包括这两种断裂的特征 。氢脆断裂断裂源区的形态、大小的分析，有助于正确判断氢的来源和断裂的原因。微观断口沿晶分离，晶粒轮廓鲜明，晶界有时可看到变形线（呈发纹或鸡爪痕花样）；应力较大时也可能出现微孔型的穿晶断裂。显微裂纹呈断续而弯曲的锯齿状；在应力集中较大的部位起裂时，微裂纹源于表面或靠近缺口底部。应力集中比较小时，微裂纹多源于次表面或远离缺口底部（渗碳等表面硬化件出现的氢脆多源于次表面）。对于在高温下氢与钢中碳形成CH4气泡导致的脆性断裂，其断口表面具有氧化色及晶粒状。微观断口可见晶界明显加宽及沿晶型的断裂特征，裂纹附近珠光体有脱碳现象。氢化物致脆断裂，也属沿晶型的。这种沿晶断裂只有在高速变形时（如冲击载荷）才表现出来，在微观断口上尚可看到氢化物第二相质点。（3）低熔点金属接触致脆、（4）高温长时致脆断裂（热脆）失效（5）、蠕变断裂失效第八章 疲劳断