零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断
第三章金属构件常见失效形式及其
– 定义：构件产生的弹性变形量超过构件匹配允许的数值 – 判断依据
• 失效构件是否有严格尺寸匹配要求，是否有高温或低温要求 • 观察正常工作时构件不接触，而又很靠近的表面是否有划伤、擦伤
等痕迹 • 设计时是否考虑弹性变形影响及采取相应措施 • 计算验证是否有过量弹性变形 • 用X射线测量金属受载时的晶格常数变化，验证是否符合要求
纯剪切过程，其内表面出现蛇行滑动、涟波等特征
蛇形滑移
大韧窝底部观察到蛇形花样
剪切韧窝及涟波花样
B. 微孔聚集型断裂的微观特征
– 断口上有大量韧窝
• 材料在塑性变形时，在夹杂物、析出物等第二相粒子周 围或有缺陷地区先出现裂纹，形成微孔
• 进一步塑性变形时，微孔长大、聚集、断裂
粒子与基体脱离形成微孔
耗
损
失效期
t1
t2 使用时间t
4）从经济法的观点对失效进行分类
– 产品缺陷失效：本质失效 – 误用失效：使用不当 – 受用性失效：它因失效，火灾、水灾、地震 – 耗损失效：正常失效
2、失效原因
原
因
材料选择不当
装配错误 错误的热处理 机械设计错误 未预见的操作条件
环境控制不够充分 不恰当的或缺少监测与质量控制 材料混杂
❖带缺口圆棒拉伸试样
– 由于缺口处应力集中，裂纹在此区域萌生，发展 – 断口特征
• 外周为纤维区 • 向内扩展 • 破坏区在中心 • 无剪切唇
• 板状拉伸试样
不 同 厚 度 的 板 状 拉 伸 试 样 断 口 特 征
• 带缺口的板状拉伸试样的断口
解理断裂断口
裂纹源
人字条纹
带缺口试样，发生明显塑性变形
3）弹性变形失效原因及防护措施
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件是广泛应用于各种机械、仪器设备和工程建设中的零部件。
然而，由于环境、载荷和使用条件等因素的影响，金属件在运行中可能会发生失效。
本文将从金属件的失效形式入手，探究金属件失效的原因及防范措施。
1.疲劳失效疲劳失效是指在长期交替载荷作用下，金属件内部发生微小裂纹，最终导致裂纹扩展至金属截面，导致零部件失效。
疲劳失效与材料的强度、硬度、韧性等有关。
同时，载荷的幅值、频率和持续时间等也会对其产生影响。
在防范疲劳失效中，应注意减小内部应力集中的情况，控制材料的相关参数，调节载荷状况，以及定期进行检测和维护。
2.腐蚀失效腐蚀失效是指金属件在特定环境、温度和湿度下，遭受化学或电化学腐蚀作用，导致零部件出现腐蚀、破损等情况，对机械功能产生负面影响。
在防范腐蚀失效中，应注意选用抗腐蚀性能好的材料，加强物件工艺与表面处理，提高储存条件和周检等。
3.磨损失效磨损失效是指金属件表面与其他表面摩擦所产生的磨擦力，在长期作用下，导致金属表面破损、磨损，影响零部件的性能和寿命。
在防范磨损失效中，应注意加强材质选择，提高工作精度、加强润滑与检查保养。
4.变形失效变形失效是指金属件受到太大的载荷、挤压等因素，导致其变形、变形过大、折断等失效情况。
在防范变形失效中，应注意控制峰值载荷，加强温度控制，支撑力和固定力均匀等。
热疲劳失效是指长期高温下，金属件内部发生热应力、热膨胀等变化，导致零部件的性能明显变化或失效。
在防范热疲劳失效中，应注意在设计材料、加工工艺、温度控制等方面进行调整与优化，定期进行检查。
综上所述，金属件失效形式多种多样，原因也各不相同。
为了保证金属件的正常运转，应该建立完善的质量控制体系，加强对金属件的定期检测和维护，优化金属件的设计与加工工艺，选用质量高、耐用性好的材料，并采取相应的防范措施，以此来减少和避免金属件的失效发生，提高其使用寿命和安全性。
金属材料失效分析
金属材料失效分析
金属材料是工程领域中常用的材料之一，但在实际使用过程中，金属材料可能
会出现各种失效现象，影响其使用性能和安全性。
因此，对金属材料失效进行分析具有重要意义。
本文将从金属材料失效的原因、常见失效形式以及分析方法等方面进行探讨。
首先，金属材料失效的原因主要包括内在因素和外在因素。
内在因素包括材料
的组织结构、化学成分、加工工艺等，这些因素可能导致材料在使用过程中出现断裂、蠕变、疲劳等失效形式。
外在因素则包括环境条件、工作载荷、温度变化等，这些因素也会对金属材料的性能产生影响，导致失效现象的发生。
其次，金属材料常见的失效形式包括断裂、蠕变、疲劳、腐蚀等。
断裂是指材
料在外部受力作用下出现破裂现象，主要包括静态断裂和疲劳断裂两种形式。
蠕变是指材料在高温和持续加载条件下发生塑性变形的现象，容易导致构件变形和失效。
疲劳是指材料在交变载荷下发生的断裂现象，是一种常见的失效形式。
腐蚀则是指金属材料在化学介质中受到侵蚀，导致材料表面产生损伤和腐蚀失效。
最后，针对金属材料失效的分析方法主要包括实验分析和数值模拟两种。
实验
分析是通过对失效样品进行金相分析、断口分析、物理性能测试等手段，来确定失效原因和形式。
而数值模拟则是通过建立材料的本构模型、载荷模型等，利用有限元分析等方法进行模拟，预测材料的失效行为和寿命。
综上所述，金属材料失效分析是工程领域中的重要课题，对于提高材料的可靠
性和安全性具有重要意义。
通过对金属材料失效原因、失效形式和分析方法的深入了解，可以有效地预防和解决金属材料失效问题，保障工程结构的安全可靠运行。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究引言：在现代工业生产中，金属件广泛应用于各种机械设备中，承载着巨大的力和压力。
由于各种原因，金属件在使用过程中可能会出现各种不同的失效形式，影响设备的正常运行。
研究金属件的失效形式对于改善产品质量、提高生产效率至关重要。
本文将探究金属件常见的失效形式及其原因。
一、金属件的常见失效形式：1. 塑性变形：金属件在受到外力作用下发生塑性变形是一种常见的失效形式。
当金属件受到过大的载荷时，超过了其强度和硬度的极限，就会发生塑性变形，导致零部件变形失效。
塑性变形有屈服、蠕变、断裂等几种类型。
2. 疲劳破坏：金属件长时间受到交变载荷的作用，会引起疲劳破坏。
疲劳破坏是金属件在交变载荷下发生裂纹形成并扩展，导致分离或断裂。
疲劳破坏常发生在金属件表面、孔洞和切口等应力集中区域，如螺纹孔、焊缝等处。
3. 特殊环境腐蚀：金属件在特殊环境中（如高温、湿润、酸碱等）会发生腐蚀，导致金属局部失效。
腐蚀有很多种类型，如电化学腐蚀、氧化腐蚀、碳化、硫化等。
4. 渗碳层剥落：金属件表面渗入碳，形成硬度高、耐磨损的渗碳层。
在使用过程中，渗碳层会受到外力和热效应的影响，导致渗碳层剥落，降低金属件的使用寿命。
5. 轴承失效：轴承是金属件中常见的零部件，其失效形式包括磨损、疲劳、断裂等。
轴承失效会引起设备振动增大、摩擦增加等故障。
二、金属件失效形式的原因：1. 金属材料质量不合格：金属材料的质量是保证金属件正常使用的基础。
材料中的含杂质、非金属夹杂物和缺陷等都会导致金属件的强度和韧性下降，增加失效的风险。
2. 设计不合理：金属件的设计不合理是造成失效的另一个重要原因。
如设计的载荷超过了金属材料的承载能力、几何形状不合理导致应力集中等，都会导致金属件的失效。
3. 使用条件不恰当：金属件在使用过程中受到的载荷、震动、温度、湿度等环境条件都会影响其失效形式。
如超负荷使用、温度过高等都会导致金属件的疲劳破坏和腐蚀失效。
4. 加工工艺不合理：金属件的加工工艺是决定其性能和质量的关键因素之一。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究1. 疲劳失效：金属在循环加载作用下会逐渐出现疲劳裂纹，导致零件失效。
常见的疲劳失效形式有疲劳断裂、疲劳弯曲、疲劳磨损等。
2. 塑性变形失效：当金属受到较大的力或冲击时，会发生塑性变形，导致零件失去原有的形状和功能。
常见的塑性变形失效形式有塑性弯曲、塑性变形、塑性流动等。
3. 腐蚀失效：金属在潮湿环境中容易发生腐蚀，进而导致零件的表面产生疏松、氧化等现象，甚至腐蚀穿孔导致整个零件失效。
4. 熔化失效：金属在高温条件下容易熔化，导致零件失去结构和功能。
常见的熔化失效形式有熔化断裂、熔化扭曲等。
5. 渗透失效：由于材质的不均匀性或者制造工艺不当，会导致金属件内部产生裂纹或孔洞，从而影响其力学性能和使用寿命。
6. 强度不足失效：当零件设计或制造过程中强度不足时，会导致金属件在受力时发生形变、变形或破裂，进而造成失效。
7. 焊接失效：金属件在焊接过程中可能会出现焊接不良、焊缝裂纹、焊接变形等问题，进而导致零件的焊接失效。
在实际应用中，为了避免金属件的失效，可以采取以下措施：1. 合理设计：在设计金属件时，应充分考虑受力情况、工作环境等因素，合理确定材质、尺寸和结构，以提高零件的强度和可靠性。
2. 优化制造工艺：在金属件的制造过程中，应严格控制工艺参数，避免产生质量缺陷，提高零件的品质。
3. 加强表面防护：采用适当的表面处理方法，如涂覆防腐剂、镀层等，以增强金属件的抗腐蚀能力。
4. 定期检验和维护：对金属件进行定期检验，及时发现问题并采取维修或更换措施，以保证零件的正常工作和使用寿命。
总之，了解金属件失效的形式和原因，对于提高金属件的可靠性和使用寿命具有重要意义，可以指导设计、制造和使用过程中的科学决策。
第三章金属构件常见失效形式及其
第三章金属构件常见失效形式及其金属构件在使用过程中常常会发生各种失效，导致工件不能正常工作或失去使用价值。
常见的金属构件失效形式包括疲劳失效、蠕变失效、腐蚀失效、磨损失效和断裂失效等。
下面将对这些失效形式进行详细介绍。
疲劳失效是金属构件在经过多次循环加载下，由于应力集中、存在缺陷或工作环境存在震动等因素造成的失效。
这种失效形式往往是逐渐积累的，表现为构件出现裂纹，并逐渐扩展至断裂。
疲劳失效可以发生在各种工件上，如弯曲构件、轴类构件等。
为了防止疲劳失效，可以通过增加构件的强度、改变工作环境或提高构件的表面光洁度来减少应力集中。
蠕变失效是金属在高温和持续加载下的失效，主要表现为构件的材料发生塑性变形，导致尺寸增大、变形失效或破坏。
蠕变失效常见于高温合金构件、锅炉管道等工作在高温环境下的设备。
为了防止蠕变失效，可以通过提高材料的抗蠕变能力、降低工作温度或减少加载应力等措施来防止。
腐蚀失效是金属在化学环境中和电化学作用的影响下逐渐腐蚀产生的失效。
腐蚀失效可以表现为构件的表面出现腐蚀坑、腐蚀皮膜等，导致金属的强度和刚度降低，最终导致构件失效。
腐蚀失效在大气中、水中、酸碱溶液中等多种环境下都会发生。
为了防止腐蚀失效，可以通过材料的表面处理、涂层保护、选择抗腐蚀材料等措施来减少腐蚀的发生。
磨损失效是金属构件在与其他构件摩擦和磨擦过程中逐渐损耗，最终导致表面的粗糙度增加、尺寸的减小和形状的改变。
磨损失效常见于轴承、齿轮、刀具等工作在高速、高负荷和高温环境下的设备。
为了防止磨损失效，可以通过润滑剂的使用、提高表面硬度、减少工作条件下的振动和冲击等措施来减少磨损。
断裂失效是金属构件在受到应力超限或存在明显缺陷的情况下，由于应力集中、承受能力不足等原因导致的突然破裂。
断裂失效常见于焊接接头、薄壁结构等，造成的后果往往是灾难性的。
为了防止断裂失效，可以通过增加构件的强度、改善焊接质量、增加材料的韧性等措施来提高构件的承载能力。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式可分为四种：断裂、变形、疲劳和腐蚀。
本文将对这四种失效形式进行探究。
一、断裂断裂是金属件失效最常见的一种形式。
主要有静态断裂和疲劳断裂两种。
1. 静态断裂静态断裂是指在金属件承受静态载荷时发生的断裂。
静态断裂主要有几种形式：拉断、剪断和压断。
拉断是金属件在拉伸载荷作用下发生的断裂，一般发生在材料的强度不足处，由于应力集中造成的。
剪断是金属件在剪切载荷作用下发生的断裂，常见于螺栓连接处。
压断是金属件在受到压缩载荷作用下发生的断裂，常见于轴承连接处。
2. 疲劳断裂疲劳断裂是指金属件在循环载荷作用下发生的断裂。
疲劳断裂的特点是在应力远低于金属的屈服强度下，由于长期循环应力的积累使金属产生微小裂纹，最终导致断裂。
疲劳断裂常见于金属复杂循环应力的作用下，如车轮、飞机机翼等工程结构。
二、变形变形是金属件在外力作用下发生的形状改变。
主要有塑性变形和弹性变形两种。
1. 塑性变形塑性变形是指金属件在外力作用下，应力超过材料屈服强度时发生的形状改变。
塑性变形一般是可逆的，即在外力作用取消后，金属件会恢复到原来的形状。
塑性变形常见于金属的拉伸、压缩和弯曲等加工过程。
三、疲劳疲劳是金属件在循环载荷作用下发生的形状改变，不同于疲劳断裂，疲劳主要表现为材料的硬度和强度下降。
疲劳常见于金属循环载荷作用下的材料，如弹簧、扭矩杆等。
疲劳的形成主要有以下几个因素：1. 材料内部的缺陷如夹杂、孔洞等，会导致应力集中，从而加速材料的疲劳损伤。
2. 应力幅值和应力集中是材料疲劳的重要因素，应力幅值越大，材料疲劳程度越严重。
3. 材料表面的处理和涂层可以增加材料的抗疲劳能力。
四、腐蚀腐蚀是指金属表面与周围环境中的化学物质发生反应，导致金属的表面和内部发生物理或化学性质的改变。
腐蚀可分为常温腐蚀、高温腐蚀和电化学腐蚀等。
腐蚀对金属的影响主要有以下几个方面：1. 降低了金属的强度和硬度。
2. 引起金属表面的裂纹和脆化，导致疲劳断裂。
金属件的失效形式探究
金属件的失效形式探究金属件的失效形式有很多种，常见的有疲劳失效、腐蚀失效、磨损失效、松动失效、断裂失效等。
下面分别进行探究：1、疲劳失效：当金属构件受到外力的反复循环作用时，在外力的作用下，材料内部原子结构发生变化，产生裂纹并逐渐扩展，最终导致构件失效。
疲劳失效是金属零件最常见的失效形式之一，特别是在机械振动和反复载荷下易发生。
2、腐蚀失效：金属构件在存在腐蚀介质的环境下，其表面会产生化学反应，导致金属壁厚减薄，最终导致零件失效。
腐蚀失效有许多形式，如氧化腐蚀、电化学腐蚀、应力腐蚀等。
3、磨损失效：金属构件在运行过程中，由于受到摩擦和剪切等力的作用，使得材料表面发生不同程度的磨损，从而减少材料壁厚和尺寸，最终导致零件失效。
磨损失效分为表面磨损和体积磨损两种，表面磨损包括磨损、腐蚀磨损和磨粒石磨损，体积磨损包括疲劳磨损和金属疲劳。
4、松动失效：金属构件在运行过程中由于振动、冲击等荷载作用，或由于其他原因导致连接处的螺栓、销轴、齿轮等零件发生位移，出现松动等现象，从而导致零件失效。
松动失效是很常见的设备失效形式之一，是由于零件之间的连接松动导致对未来运行产生严重的后果。
5、断裂失效：当金属构件受到超载或者由于其他原因导致产生裂纹时，金属材料在裂纹处发生断裂，这种失效形式称为断裂失效。
断裂失效位置通常在应力集中处，包括冲击断裂、塑性断裂、脆性断裂等几种类型。
断裂失效发生后，易导致整个设备的失效。
综上所述，金属件的失效形式是多种多样的，每种形式都有着不同的失效机制和特点。
在实际应用中，对不同失效形式进行预防和控制是保持机器设备长寿命和安全运行的必要手段。
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实例2
某化肥厂使用的90m3合成氨冷凝器，采用1Cr18Ni9Ti不 锈钢管作冷凝管，工作时氨由管内流通，管外壁用水冷 却，管壁温度约200 ℃，使用不到一年，发生了多根冷 凝管开裂。
✓ 严格按照加工工艺规程对构件 成形，减少残余应力；
承受内压的不锈钢管
变形失效
高温作用下的变形失效
金属构件在高温长时间作用下，即使其应力恒小于屈 服强度，也会慢慢地产生塑性变形，当变形量超过规定 的要求时，导致失效。
✓ 蠕变变形失效
✓ 应力松弛变形失效
蠕变变形失效
金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应 力低于屈服点也会慢慢发生塑性变形，称为蠕变。
✓ 冷脆金属的低温脆断
何种晶体结构的材料易发生？ 环境温度低于韧脆转变温度 构件几何尺寸较大，处于平面应变状态
宏观 结晶状，明显的镜面反光 断口特征
微观 解理断裂特征
低温脆断断裂分析
不是固定值
韧脆转变温度
材料的缺陷和晶粒是否粗大
方法？
采用系列冲击试验确定材料的实际韧脆转变温度
✓ 第二相质点致脆断裂失效
高温回火脆性 在500~600℃回火后缓慢冷却会出现韧性下降 钢中的杂质S、P、AS、Sn等在晶界上偏聚引起的。 沿晶冰糖状 ✓ 对小型零件可采用回火后快冷的方法； ✓ 对于大型零件则可在材料中加入Mo、W等， 可阻止或延缓有害元素在晶界上的析出。
回火致脆断裂分析： ✓ 室温冲击试验法 ✓ 系列冲击试验法 ✓ 低温拉伸试验法 ✓ 断裂韧度法
脆性的第二相质点沿原奥氏体 晶界择优析出引起的晶界脆化 某些杂质元素沿晶界富集引起
的晶界弱化
断口特征
宏观 晶粒状 微观 沿晶断裂，晶界处第二相质点
➢ 环境致脆断裂失效分析
应力腐蚀开裂 氢致脆断失效 低熔点金属的接触致脆断裂失效 热脆失效 蠕变断裂失效
应力腐蚀开裂 ( Stress Corrosion Cracking )
2. 持久强度极限－断裂抗力指标
➢ 熔点高，晶体结构紧密 ➢ 形成固溶体，含有弥散相的合金 ➢ 改进冶金质量 ➢ 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度 ➢ 采用定向凝固技术获得粗大柱状晶
应力松弛变形失效：在总变形不变的条件下，构件弹 性变形不断转为塑性变形从而使 应力不断降低的过程。
松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。
✓ 过载断裂失效断口的一般特征
塑性断裂
宏观 微观
杯锥状断口 微孔聚集型断口
脆性断裂
宏观 微观
结晶状断口 解理断口
常见形貌特征：
✓ 影响过载断裂失效特征的因素 材料性质的影响 零件形状与几何尺寸的影响 载荷性质的影响 环境因素的影响
➢ 材料致脆断裂失效分析
材料选用不当 制造过程中工艺不正确
回火脆性断裂失效 冷脆金属的低温脆断 第二相质点致脆断裂失效
✓ 回火脆性断裂失效
AK
低温回火脆性
在250~400℃出现韧性下降
M及残余A分解时沿M针条边 界析出薄片状Fe3C有关
穿晶型准解理 目前尚无有效方法消除，只能尽 量避开在此温度范围内回火。
快冷
慢冷
300 500 650
回火温度 ℃
如何消除？
典型的蠕变曲线
晶界的弱化和在应力作用下的沿晶界的滑移
蠕变空洞 蠕变断裂
蠕变变形 蠕变裂纹
1. 在三晶粒交汇处形成楔形裂纹－－应力集中理论 高应力＋较低温度
2. 在晶界上由空洞形成的晶界裂纹－－空位聚集理论 低应力＋较高温度
性能指标：
1. 蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不
2.
致产生过量变形而失效。
•裂纹起始于外表面，向内壁扩展，有的已经穿透壁厚； •断口的电子显微特征为穿晶解理； •断口上的腐蚀产物主要Fe2O3，并有氯元素富集； •冷却水为黄浦江水，含有大量氯离子。
• 冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂
应力腐蚀开裂的条件及其影响因素
结构上补偿胀缩方法举例
断裂失效
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析 ➢ 材料致脆断裂失效分析 ➢ 环境致脆断裂失效分析 ➢ 混合断裂失效分析
疲劳断裂失效分析
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析
工作载荷超过构件危险截面所能承 受的极限载荷时，构件发生的断裂
构件危险截面上的真实应力 截面上的有效尺寸
变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性的塑性变形量超过允许的数值
鼓胀、椭圆度增大、翘曲、凹陷、歪扭畸变
塑性变形失效的原因及预防措施
原因：过载
措施：
✓ 合理选材，提高材料抵抗塑性 变形的能力；
✓ 准确地确定构件的工作载荷， 正确进行应力计算；
➢ 应力腐蚀开裂 ➢ 应力腐蚀开裂的条件及其影响因素 ➢ 应力腐蚀开裂的断口形貌特征 ➢ 应力腐蚀开裂失效分析
工作应力、残余应力、热应力
应力腐蚀是应力和环境腐蚀的联合作用造成 的破坏形式。
静止应力—应力腐蚀开裂（SCC）；
循环应力—腐蚀疲劳（CF）；
特点：
局部腐蚀 断裂有突发性
具体实例？
实例1
1921年就有硝酸盐引起低碳钢应力腐蚀开裂的事故报 道。低碳钢在硝酸盐溶液中发生阳极溶解的同时，在 表面形成一层Fe2O3保护性薄膜：
齿轮轴的过量弹性变形会影响齿轮的正常 啮合，加速磨损，增加噪声；
弹簧的过量弹性变形会影响其减振和储能 驱动作用。
螺栓等紧固件、轴承
弹性变形失效的原因及预防措施
原因：过载、超温、材料
设计考虑不周、计算错误、选材不当 预防？
✓ 选择合适的材料或构件结构，获得足够的刚度
✓ 采用减少变形影响的连接件（皮带传动、软管连接、 柔性轴）
第4章 金属构件常见失效形式及其判断
❖ 变形失效 ❖ 断裂失效 ❖ 腐蚀失效 ❖ 磨损失效
变形失效
弹性变形失效 ➢ 弹性变形 ➢ 弹性变形的特点 ➢ 过量的弹性变形失效
构件产生的弹性变形量超过构件匹配所允许的数值
刚度不足
判断困难
工程实例：
镗床镗杆的过量弹性变形会降低被加工零 件的精度甚至造成废品；