零件失效分析4-金属构件常见失效形式及其判断
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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）
➢ 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：
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
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。
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。
✓ 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
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；
变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性变形的特点 ➢ 塑性变形失效
容易鉴别
金属构件产生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；
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？
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
✓ 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
•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
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 )
✓ 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Байду номын сангаас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。
10Fe+6NO3-+3H2O→5Fe2O3+6OH-+3N2 2Fe+NO3- → Fe2O3+0.5N2+e 如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力 腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上 形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀 都是沿晶开裂。
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。
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）
➢ 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：
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
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。
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。
✓ 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
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；
变形失效
塑性变形失效 ➢ 塑性变形 ➢ 塑性变形的特点 ➢ 塑性变形失效
容易鉴别
金属构件产生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；
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？
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
✓ 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
•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
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 )
✓ 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Байду номын сангаас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。
10Fe+6NO3-+3H2O→5Fe2O3+6OH-+3N2 2Fe+NO3- → Fe2O3+0.5N2+e 如果保护膜遭到破坏，金属发生阳极溶解腐蚀的应力 腐蚀开裂。由于低碳钢的氧化保护膜只在晶粒表面上 形成，而不在晶界上，所以低碳钢的硝酸盐应力腐蚀 都是沿晶开裂。
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。