金属材料的失效分析
金属材料中的失效分析与寿命预测
金属材料中的失效分析与寿命预测在制造业与工程领域，金属材料是最常用的一类材料。
然而，应用中的金属材料难免会出现各种失效现象，这些失效现象对于设备的正常运转和工作人员的安全带来了严重影响。
因此，了解金属材料中的失效分析和寿命预测方法，对于提升设备的可靠性和安全性具有重要意义。
一、失效类型及原因金属材料在使用过程中可能发生腐蚀、疲劳、应力腐蚀裂纹、焊接裂纹等多种失效类型。
其中，腐蚀是最常见的失效类型，它会导致金属材料的厚度减少、破损、变形等问题。
腐蚀的原因主要有化学腐蚀、电化学腐蚀、微生物腐蚀、高温氧化等。
疲劳失效与应力腐蚀裂纹也十分常见。
疲劳失效是由于金属材料在反复的应力作用下，逐渐发生微小的损伤，导致微小裂纹和最终失效。
应力腐蚀裂纹则是由于金属材料受到了应力和腐蚀的共同作用，导致表面出现裂纹，进一步导致金属材料的失效。
焊接裂纹是在焊接过程中出现的缺陷，如果不及时修复，很容易引发器件失效。
因此，在金属材料的制造过程中，严格的焊接操作非常重要。
二、失效分析失效分析是指对失效的机器或器件进行全面分析，了解失效原因和类型以及所受影响的程度并采取相应的措施。
在失效分析的过程中，需要从以下几个方面入手：1、问题描述问题描述是失效分析的第一步。
需要对失效的机器或器件进行详细的描述，包括发生时间、失效类型等信息。
2、样本采集样本采集是失效分析的关键步骤，需要从失效的机器或器件中采集样本进行检测分析。
样本的选取非常重要，需要选择与实际情况相似的样本，以便准确的分析失效原因。
3、试验检测试验检测是对样本进行全面检测。
通过显微镜、扫描电镜、X射线衍射仪等仪器检测样本的内部结构和组成，找到失效原因。
4、制定措施在对失效的机器或器件进行分析之后，需要制定相应的措施，以防止类似问题的再次出现。
常见措施包括更换损坏的部件、更改原零件的设计、采用更耐腐蚀的材料等。
三、寿命预测寿命预测是指根据机器或器件的使用条件和材料的性能，在其使用前或使用中预测其寿命。
金属材料失效分析案例PPT
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案例四：金属材料脆性断裂 失效
失效现象描述
金属材料在无明显塑性变形的情况下 突然断裂，断口平齐，呈脆性断裂特 征。
断裂发生时，材料内部存在大量微裂 纹和空洞。
断裂前材料未出现明显的塑性变形， 无明显屈服现象。
失效原因分析
材料内部存在缺陷，如微裂纹、夹杂物等，降低 了材料的韧性。
金属材料在加工过程中受到较大的应力集中，如 切割、打孔等操作，导致材料内部产生微裂纹。
失效机理探讨
电化学腐蚀
金属材料与腐蚀介质发生 电化学反应，导致表面氧 化或溶解。
应力腐蚀
金属材料在应力和腐蚀介 质的共同作用下发生脆性 断裂。
疲劳腐蚀
金属材料在交变应力和腐 蚀介质的共同作用下发生 疲劳断裂。
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案例三：金属材料热疲劳失 效
失效现象描述
金属材料表面出现裂 纹
疲劳断裂，即在交变 应力的作用下发生的 断裂
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疲劳断裂通常发生在应力集中的 部位，如缺口、裂纹或表面损伤 处。
失效原因分析
金属材料在循环应力作用下，微观结 构中产生微裂纹并逐渐扩展，最终导 致断裂。
应力集中、材料内部缺陷或表面损伤 等因素可加速疲劳裂纹的萌生和扩展 。
失效机理探讨
金属疲劳断裂是一个复杂的过程，涉及微观结构、应力分布、材料缺陷等多个因素。
应力腐蚀开裂
在腐蚀介质和应力的共同作用下，焊接接头 处发生应力腐蚀开裂，裂纹扩展导致断裂。
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金属材料在低温环境下工作，材料的韧性下降， 容易发生脆性断裂。
失效机理探讨
金属材料的脆性断裂通常是由 于材料内部存在缺陷或应力集 中导致的微裂纹扩展。
在低温环境下，金属材料的韧 性下降，容易发生脆性断裂。
金属材料失效分析1-断裂
一、理论断裂强度σm
1、定义：如果一个完整的晶体，在拉应力作用下， 使材料沿某原子面发生分离，这时的σf就是理论断 裂强度。
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2、断裂强度计算
假设原子间结合力随原子间距按正弦曲线变化，
周期为λ， 则:
a0
m
sin
2 x
其中: σm理论断裂强度
试 样形 状
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四、断口三要素的应用
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 裂纹源的确定： ①利用纤维区，通常情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利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，
而裂源在材料表面上萌生。
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裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇 ②放射条纹的发散方向 ③板状样呈现人字纹（chevron pattern）
其反方向为 源扩展方向
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§3、断裂过程
裂纹形成 裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段）
失稳扩展
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裂纹形成的位错理论 （裂纹形成模型或机制） 1、位错塞积理论—stroh理论 2、位错反应理论—cottrel理论 3、位错墙侧移理论 4、位错交滑移成核理论 5、同号刃位错聚集成核理论
亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程 特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展
裂纹总是沿需要需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同 失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂 特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断
金属材料失效分析报告
金属材料失效分析报告1. 引言金属材料在各个领域中扮演着重要的角色，但在长期使用过程中，由于各种原因可能会出现失效现象。
本报告旨在对金属材料失效进行分析，找出失效原因，并提出相应的解决方案。
2. 背景金属材料失效是指金属材料在使用过程中出现性能下降、功能丧失或完全损坏的情况。
失效可能由多种因素引起，包括材料本身的缺陷、外界环境的影响以及使用条件的变化等。
了解失效的原因对于改进材料性能和延长材料寿命具有重要意义。
3. 失效原因分析3.1 材料缺陷金属材料在制备过程中可能存在一些内在的缺陷，如晶体结构缺陷、晶界缺陷和孔洞等。
这些缺陷可能导致材料的机械性能、化学性能或导电性能下降，从而引起失效。
3.2 外界环境影响外界环境对金属材料的影响也是导致失效的重要原因之一。
例如，金属材料在高温、高湿度或腐蚀性环境中容易发生氧化、腐蚀和脆化等反应，从而导致失效。
3.3 使用条件变化金属材料的使用条件变化也会对其性能产生影响，进而导致失效。
例如，金属材料在受到过大的载荷或振动时可能会发生疲劳失效；在温度变化较大的情况下，热膨胀会导致应力集中，从而引发失效。
4. 失效分析方法为了确定金属材料失效的具体原因，通常采用多种分析方法。
以下是常用的几种分析方法：4.1 金相分析金相分析是通过对金属材料的显微组织进行观察和分析来确定失效原因的一种方法。
通过金相分析，可以了解材料的晶体结构、晶界状况、缺陷情况等，从而找出可能导致失效的因素。
4.2 化学分析化学分析可以确定金属材料的成分，包括主要元素和杂质元素的含量。
通过分析材料的成分，可以判断是否存在元素偏析、化学反应等导致失效的原因。
4.3 力学性能测试力学性能测试可以评估金属材料的强度、韧性、硬度等机械性能。
通过测试，可以了解材料的性能是否达到设计要求，从而判断失效是否与机械性能有关。
4.4 环境试验环境试验是通过模拟实际使用条件，暴露金属材料在不同环境下，观察其性能变化和失效情况。
金属构件失效分析
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金属构件失效案例分析
案例一：疲劳失效
总结词
疲劳失效是金属构件最常见的失效形式之一，由于在循环应力或交变应力的作用下，金属构件逐渐产生疲劳裂纹 并扩展，最终导致断裂。
详细描述
疲劳失效通常发生在承受循环应力或交变应力的金属构件中，如发动机曲轴、齿轮等。疲劳裂纹通常起源于构件 表面或亚表面，裂纹扩展过程中会受到应力集中的影响，如缺口、划痕等。疲劳失效的原因包括材料缺陷、应力 集中、温度变化等。
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结论
金属构件失效分析的意义
保障工业安全
通过对金属构件失效进行分析，可以及时发现潜在的安全隐患， 避免因构件失效导致的工业事故。
提高产品质量
通过失效分析，可以找出产品设计、制造或使用过程中的问题，为 改进产品提供依据，提高产品质量。
促进科技进步
失效分析涉及多个学科领域，如材料科学、力学、化学等，对促进 相关学科的科技进步具有重要意义。
金属构件失效分析
目 录
• 引言 • 金属构件失效分析方法 • 金属构件失效案例分析 • 金属构件失效预防措施 • 结论
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引言
主题简介
金属构件失效分析是一门研究金属构 件失效原因、失效模式和失效机理的 学科。
它涉及到材料科学、力学、腐蚀科学 等多个领域，对于保障金属构件的安 全可靠性和延长其使用寿命具有重要 意义。
THANK YOU
严格控制加工过程
确保金属构件在加工过程中不受损伤 ，如防止过度切割、弯曲或冲压，以 减少应力集中和微裂纹的形成。
定期进行维护和检查
制定维护计划
根据金属构件的使用环境和条件，制定合理的维护计划，包括定期清洁、涂层保护和紧 固件检查等。
定期检查与监测
金属材料失效分析案例PPT
2。2 断口微观检查
断口经超声波清洗干净后在扫描电镜下先以低倍（10倍）观察， 发现有典型的疲劳断裂特征，即有三个区域组成：疲劳源，疲 劳裂纹扩展区（颗粒状脆性断裂区）和最终快速断裂韧性纤维 区，其中疲劳源和疲劳裂纹扩展区占大部分面积。图2为疲劳源 和疲劳裂纹扩展区，从中能明显观察到贝壳状条纹，这是疲劳 断裂典型特征。进一步放大观察发现断口有类似台阶式线段 （见图3、4），这些线段不是平滑的，它是疲劳过程引起不稳 定滑移面上快速的裂纹扩展造成的。此外，还能观察到裂纹的 存在，且从源区向心部发展。在疲劳裂纹扩展区，则能观察到 颗粒状脆性断裂特征（见图5）。断口开裂以穿晶断裂为主，无 沿晶断裂迹象，也没有介质腐蚀引起的应力腐蚀断口形貌。这 说明快速断裂区是以韧窝为主的塑性断裂。
案例 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析
1、背景 2 检查、试验
2.1宏观检查 2.2 断口微观检查 2．3化学成分 2．4硬度测试 2．5 冲击试验 2．6 金相检ห้องสมุดไป่ตู้ 3 分析 4 结论
1、背景 漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽 式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月 大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一 个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修
金属材料的失效分析
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。
金属材料失效分析
失效分析机电工程学院何敏U n R e g i s t e r e d“失效分析”课程简介对广大同学而言，失效和失效分析也许是一个陌生的概念。
然而在我们的周围，大到各种机械零件，工程设备，运输机械，锅炉、压力容器等，小到生活、学习、娱乐场所的各类设施，我们手头的各种电子器件等等，不管你意识到没有，失效却总是在发生着。
失效——各类机电产品的机械零部件、微电子元件和仪器仪表等以及各种金属及其它材料形成的构件（工程上习惯地统称为零件，以下简称零件）都具有一定的功能，承担各种各样的工作任务，如承受载荷、传递能量、完成某种规定的动作等。
当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。
失效给我们造成巨大的甚至是无法挽回的损失；而失效分析则可以有效地避免或减少这些损失。
U n R e g i s t e r e d11零件失效即失去其原有功能的含义包括三种情况：失效failure“失效”与“事故”要区分“失效”与“事故”，这是两个不同的概念。
事故是一种结果，其原因可能是失效引起的，也可能不是失效引起的。
同样，失效可能导致事故的发生，但也不一定就导致事故。
（1）零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等而完全丧失其功能；（2）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，如由于磨损导致尺寸超差等；（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。
如经过长期高温运行的压力容器及其管道，其内部组织已经发生变化，当达到一定的运行时间，继续使用就存在开裂的可能。
U n R e g i s t e r e dU n R e g i st e r e dderetsigeRnUderetsigeRnU“失效分析”课程简介通常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。
失效分析是一门综合性的质量系统工程，是一门解决材料、工程结构、系统组元等质量问题的工程学。
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观察
观察
从侧面观察：
电子探针观察表面
磷化膜
减磨
摩托车发动机连杆使用6000h断裂， 材料：20CrMo 加工路线：下料—模锻成型—机加工—表面镀铜 防止渗碳—可控气氛多用炉渗碳淬火、回火—装配
摩托车连杆断裂
察
观察
离合器 材料：08F
离合器零件-1
与供货厂家协商，限制钢中非金属夹杂物的来 源，炉前脱氧要良好，使用硅锰复合合金，以减少 钢中残余的脱氧产物。保证钢包吹氩时间不小于 8min，促进夹杂物上浮。喂Si—Ca丝改善夹杂物 形态。采用氩气保护浇注，减少二次氧化。使用Al 脱氧，为保证钢中Al含量．做好出钢前插A1 1kg／ t。浇注中采用低温浇注，减轻钢锭的偏析，浇注 温波动控制在lO℃ 以内。加大钢锭冒口和底部的 切除量等。
离合器零件-2
离合器零件-3
离合器零件-4
零件表面加工过程中产生的微细划痕，在外力 作用下造成应力集中，该处与渗氮层中的疏松（渗 氮层中的薄弱部位）相接形成可扩展的裂纹源；同 时强度较高的渗氮层阻止表面塑性变形，不能消除 该处的应力集中，因此在外力作用下产生缺口拉 伸，最后形成脆性解理断裂。 建议 1．提高模具加工精度。 2．在模具表面出现磨损后立即停止使用，更换 新模具。 3．润滑剂应及时更换或定期过滤金属磨粒。 4．控制渗氮浓度，减少渗氮疏松度。
42CrMo钢 非金属夹杂物图所示，根据国家标准GB/T105611989评定为A2.5e，C1e，D1.5e
从图可以看出粗大条状硫化物在宽度为50μm的 范围内分布，形成2000μm长度上的异质区。结 合金相照片分析，部分硫化物可能沿奥氏体晶界析 出，造成钢材的脆性。 应用断裂力学理论计算表明，当氧硫化物长度 尺寸大于65μm，硫化物长度尺寸大于300μm 时，发生裂纹的几率为100%。因此，对于检测报 告中所表示的硫化物形态和尺寸，造成钢材的不连 续性是明显的。
钢中非金属夹杂物分析 钢料尺寸： 30Mn5： 132×130×23mm 42CrMo： 150×130×23mm
30Mn2钢非金属夹杂物 ×100 非金属夹杂物如图所示，根据国家标准 GB/T10561-1989评定为A2.5e，D1.5e
从图可以看出硫化物的长度尺寸为800μm （0.8mm），结合金相照片分析：此处形成一个Z 字形的600×200μm尺寸的异质区。箭头A所指形 成一个近似于三角形的300×300×300μm尺寸的 异质区。这种硫化物割裂基体金属，破坏钢材的内 部连续性，形成较大尺寸的缺陷区域。
GCr15模具，840℃淬火后开裂
GCr15轧辊淬火后线切割开裂
42CrMo齿轮淬火开裂
飞机轮箍螺栓在降落时4支断裂
根据螺栓的疲劳区与快速断裂区的微观形貌， 断口形貌为准解理为主的脆性断口，产生脆性断口 的原因是因为螺栓受到较大的应力后，一次性造成 的断裂；同时从断口形貌可以看出断裂时产生的擦 伤痕迹，断口表面存在许多细小的二次微裂纹，也 属于脆性断口。