09失效分析复习题新

(a) 1－纤维区；2－放射区； 3－剪切唇 (b) 1－纤维区；2－放射区； 3－最后破坏区 (c)1－纤维区；2－放射区；3－剪切唇第一章 问答题1零件失效即失去其原有功能的含义包括哪些种情况？（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。

2 失效分析与生产现场所进行的废品分析的区别？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。

名词解释1失效：当这些零件失去了它应有的功能时，则称该零件失效。

2 失效分析：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。

第二章 问答题1 失效分析的基本程序及步骤是什么？见作业3 失效的实验研究主要有哪些？见作业名词解释1 残骸的顺序分析2 宏观检验3 硫印试验4失效重现性试验或证明试验第三章 问答题1 下图为损伤齿轮的宏观形貌，左侧为断齿情况，右侧为齿的变形情况，是分析断齿或损伤的先后顺序？图 a 断齿损伤情况，按断裂的表观形态，中间齿首先断裂，为疲劳断裂，相邻的两齿是在中间齿断裂后造成的冲击断裂；图 b 齿的变形情况，整圈齿发生变形断裂，图示右侧齿的变形明显大于左侧齿，其损伤顺序应是右侧齿在前，左侧齿在后。

2 寻找主断面的方法有哪些？寻找主断面的方法：（1）T 型法：在同一个零件上，后产生的裂纹不可能穿越原有裂纹而扩展。

例如T 字形的横向裂纹A 为先于B 的主裂纹，B 为二次裂纹；2）分叉法：通常裂纹分叉方向即裂纹的扩展方向，其反向为裂纹源的位置O ，即分叉裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹；（3）：氧化法 氧化法是利用金属或合金材料在环境介质中会发生氧化或腐蚀，并随着时间的增长而严重的现象判断裂纹扩展方向的方法氧化或腐蚀比较严重的部位，是主裂纹的部位。

裂纹源在主裂纹的表面处；（4）拼凑法：金属构件如果已破坏成几个碎片，则应将这些碎片按零件原来的形状拼合起来，然后观察其密合程度 密合最差的端面为最先开裂的断面，即主断面6 寻找裂纹源的方法有哪些？寻找裂纹源的方法有两种：第一种 根据断口全貌寻找，又称裂纹分析法。

将断口碎片大致折合起来，但不要使断面相碰，根据下列特点来确定裂纹源位置：① 裂纹源方向总是与裂纹分叉方向相反② 如果一条裂纹与另一条裂纹垂直相交成丁字形，则裂纹源在横着的一条裂纹上③ 在结构件的碎片中，变形、缩颈、弯曲或其他塑性变形最小的部位，最可能包含裂纹源④ 在碎片拼合起来后，碎片之间配合不好，间隙最大的地方为裂纹源；第二种 根据断口宏观特征寻找裂纹源 可根据：① 放射花样的放射中心指向裂纹源② 人字纹顶点指向裂纹源③ 纤维区中心为裂纹源点④ 从剪切唇的对侧寻找裂纹源⑤ 在构件表面缺口处寻找裂纹源⑥ 疲劳断裂的源点在同心圆处⑦ 应力腐蚀裂纹源在表面腐蚀产物集中处，氢脆断裂裂纹源在表层下面7 下列断口示意图分别是什么断口？各有何特点？塑性断口特征断裂前产生明显宏观塑性变形，其断裂表面一般平行于最大切应力并与主应力成45º角，用肉眼或放大镜观察时，断口呈纤维状，灰暗色静载荷下的断口宏观特征（a）光滑圆柱试样的拉伸断口钢的光滑圆柱试样拉伸后，在断口上常呈现出三个区域，即纤维区(F)、放射区(R)及剪切唇区(S)－－断口三要素试样在拉伸过程中，裂纹起源于纤维区，经过快速扩展而形成放射区，当裂纹最后扩展到表面时，形成了属于韧性断裂的剪切唇，最后形成杯锥状断口。

一般来说，纤维区与剪切唇区较大，则材料的塑性、韧性较好（b）带缺口的圆试样的拉伸断口缺口处应力集中，裂纹直接在断口或缺口附近产生，从外部向试样内部扩展，纤维区沿圆周分布若缺口较钝，则裂纹仍可首先在试样中心形成。

但由于试样外表受到缺口的约束而抑制了剪切唇的形成（c）矩形试样的拉伸断口无缺口的矩形拉伸试样断口，与圆试样一样，也有三个区域：矩形扁平试样的中央纤维区呈椭圆形，放射区则出现“人字纹”花样－－试样几何形状的改变使裂纹主要沿宽度方向扩展的缘故，（自己加的）冲击断口的宏观形貌与静载荷下的断口无原则差别。

试样的破坏是从V形缺口的根部开始、纤维区在此处形成→放射区→其他三个侧面形成剪切唇。

区域连接的边界常呈弧形温度↓→纤维区面积↓↓放射区面积↑↑材料由韧性迅速→脆性－－转折温度称为韧脆转变温度◎在摆锤的冲击下，在v形缺口的一侧受拉应力，不开缺口的一侧受压应力。

当受拉应力的放射区进入受压应力区时放射花样可能消失，而重新出现纤维区。

这是因为当裂纹进入压应力区时，压缩变形对裂纹扩展起阻滞作用，使裂纹扩展速度显著降低，在断口上第二次出现纤维区。

如果材料的塑性足够好，则放射区完全消失，只有纤维区及剪切唇两个区域。

韧窝的大小（直径和深度）的影响因素：①第二相质点的大小和密度第二相质点密度↑或其间距↓→微孔尺寸↓②金属材料的塑性变形能力及其形变硬化指数大小直接影响已长成一定尺寸的微孔的连接、聚合方式形变硬化指数↑越难于发生内颈缩→微孔尺寸↓③应力大小和状态的改变，通过影响材料塑性变形能力而间接影响韧窝深度在高的静水压力之中，内颈缩易于产生，故韧窝深度增加；反之，在多向拉伸应力下或在缺口根部韧窝则较浅。

Note：微孔聚集断裂一定有韧窝存在，但不能认为具有韧窝断口的材料就是韧性断裂。

（∵宏观上为脆性断裂，在局部区域内也可能有塑性变形，从而显示出韧窝形态）名词解释1断口分析2 脆性断口 3韧性断口 4 疲劳断口 5 纤维状断口6结晶状断口7瓷状断口8台状断口9主断面（主裂纹）10 宏观断口分析第四章 1、脆性断口宏观形貌特征有什么特点？脆性断裂断口宏观上比较平齐光亮，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。

脆性断口主要是指解理断口、准解理断口和冰糖状晶界断口（1）解理断口脆性断裂大多数是穿晶解理型的，其断口宏观形貌具有两个明显的特征：1）小刻面 *解理断口上的结晶面，在宏观上呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征，像存在许多镜面似的，一般称这些发光的小平面为“小刻面” *解理断口是由许多“小刻面”所组成的，断口呈结晶状，但看不到放射花样。

根据这个宏观形貌特征，很容易判别解理断口，如冷脆金属的低温脆断即为解理断裂2）人字状条纹、山形条纹或松枝状花样 *脆性解理断口有时还具有另一种特殊的宏观形貌特征，呈现出裂纹急速扩展形成的放射状撕裂棱形*人字条纹、山形条纹、松枝状花样的交点均指向裂纹源，即山形条纹汇集的方向和人字条纹所指的最终方向即为断裂的起点，而裂纹的扩展方向则为山形或人字扩大方向－－这个判断方法对寻找脆性断裂源，正确分析失效原因是有实际意义的（2）准解理断口*在某些脆性断口上，通过电子显微镜可看到解理断裂的特征形貌，同时又伴随着有一定的塑性变形痕迹－－准解理断口 *断口中塑性变形痕迹所占比例就是划分解理与准解理的大致依据*准解理断口呈结晶状或细瓷状，断口齐平、呈亮灰色，有强烈的金属光泽和明显的结晶颗粒或类似细瓷碎片的断口（3）晶界脆性断口*晶界脆性断口包括回火脆性断口、氢脆断口、应力腐蚀断口、淬裂断口、由脆性析出相在晶界上的析出而形成的晶界断口等 *其宏观形貌的基本特征为小刻面状或粗瓷状，断裂前没有明显塑性变形，断口附近没有颈缩现象，断口一般与正应力垂直，断口表面平齐，边缘没有剪切唇2、脆性断口微观形貌特征有什么特点？（1）解理断口 *解理断裂常发生于低温、高应变速率、应力集中及粗大晶粒的条件下，裂纹一经形成便会迅速扩展*解理的存在取决于晶体结构，并沿着确定的原子面扩展－－宏观解理断口是十分平滑的，相邻的区域没有塑性变形 *在电镜下观察每一个解理小刻面，发现并不是一个单一的解理面 *金属解理断口的微观形貌最主要特征是河流花样（2）准解理断口 *常出现在淬火回火的高强度钢中，有时也出现在贝氏体组织的钢中 *其微观形貌特征具有河流花样、小解理刻面，以及由隐蔽裂纹扩展接近产生塑性变形所形成的撕裂棱，有时也有舌状花样－－准解理裂纹既具有解理断口的形貌特征，又具有韧性断口的形貌特征（韧窝、撕裂棱），其断口的微观形貌是介于解理断口与韧性断口之间的一种断口形貌 *准解理断口与解理断口的区别：准解理裂纹多萌生于晶粒内部的空洞、夹杂物、硬质点处，而解理裂纹则萌生在晶粒的边界或相界面上（3）沿晶断口 *沿晶脆性断裂是沿晶粒界面所发生的断裂 *断口的微观特征：晶界面上相当平滑，整个断面上多面体感很强，没有明显塑性变形，具有晶界刻面（小平面）的“冰糖状”断口形貌，冰糖块状恰好反映出晶粒这种多面体的特征。

5 疲劳断口的宏观形貌特征有什么特点？ *典型的疲劳断口包括三个部分：疲劳裂纹源区、疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区；具有典型的“贝壳”状或“海滩”状条纹的特征（1）疲劳裂纹源区是疲劳裂纹萌生的策源地，是疲劳破坏的起点，多处于机件的表面 *其断口形貌多数情况下比较平坦、光亮，且呈半圆形或半椭圆形，所占面积最小（原因：裂纹扩展速度慢，裂纹表面反复挤压，摩擦次数多）（2）疲劳裂纹扩展区 *疲劳裂纹形成后裂纹慢速扩展形成的区域－－判断疲劳断裂的最重要特征区域 *基本特征：呈现贝壳花样或海滩花样，以疲劳源区为中心，与裂纹扩展方向相垂直的呈个圆形或扇形的弧形线，又称疲劳弧*疲劳弧线是裂纹扩展过程中，其顶端的应力大小或状态发生变化时，在断裂面上留下的塑性变形的痕迹 *贝壳花样是由载荷变动引起的，机器运转时常有启动、停歇、偶然过载等，均可留下塑性变形的痕迹－－贝纹线（疲劳弧线）（3）瞬时断裂区 *疲劳裂纹不断扩展→零件的有效断面逐渐减小→应力不断增加塑性材料当疲劳裂纹扩展至净截面的应力达到材料的断裂应力时→瞬时断裂，材料塑性很大时，断口呈纤维状，暗灰色脆性材料当裂纹扩展至材料的临界裂纹尺寸时→瞬时断裂断口呈结晶状瞬时断裂是一种静载断裂，具有静载断裂的断口形貌，是裂纹最后失稳快速扩展所形成的断口区域 *瞬断区的明显持征：具有不平坦的粗糙表面，而裂纹源区及裂纹扩展区则为光亮区，有时光亮区仅为疲劳源区 *瞬断区的断口形貌及其所占面积取决于材料性质、几何形状、应力集中程度、加载方式及大小以及环境等因素，应力较高或材料韧性较差，则瞬断区面积较大6疲劳断口的微观形貌特征有什么特点？疲劳裂纹扩展区的微观形貌的基本特征：具有一定间距的、垂直于主裂纹扩展方向的、相互平行的条状花样，即疲劳条带(或疲劳辉纹、疲劳条纹)－－区别于其他性质断裂的最显著的特征花样8分析疲劳失效原因？（1）表面状态 *表面的粗糙度对疲劳强度有非常明显的影响表面粗糙度值↓材料的疲劳极限↑材料强度↑表面粗糙度对疲劳极限的影响越显著（2）零件的几何形状及尺寸 *零件的几何形状不合理，如存在槽、孔、圆角、缺口和螺纹等外形不连续形式→应力集中，对疲劳裂纹形成和扩展有影响 *零件尺寸对疲劳强度影响较大的，弯曲、扭转载荷时影响更大零件尺寸↑疲劳极限↓疲劳强度尺寸效应的原因：尺寸增大会增加表面的各种缺陷；零件尺寸↑→↓弯曲、扭转零件截面的应力梯度↑表层高应力的体积→↑萌生疲劳裂纹的概率→其疲劳强度↓（3）装配与连接效应 *装配与连接效应对零件的疲劳寿命有很大影响正确的拧紧力矩可使其疲劳寿命提高5倍以上，过大的拧紧力并非对提高连接的可靠性有利（4）载荷特性 *零件所受的载荷应力超过材料的疲劳极限时－－超载低于疲劳极限的应力－－次载对于高周疲劳，增大应力则会出现：①容易产生多个裂纹；②疲劳条带之间的距离增大；③最终瞬断区的面积增大金属在低于疲劳极限的应力下先运转一定次数后，可提高疲劳极限，这种次载荷强化作用－－次载锻炼 *载荷频率在一定范围内可以提高疲劳强度 *当加载应力低干并接近于疲劳极限时，间歇加载提高疲劳效果比较明显，间歇超载加载则会降低疲好强度劳 *零件工作载荷的类型（5）材料的组织和性能 *抗疲劳性能好的材料应当成分均匀，组织细小均匀，无内在连续缺陷，缺口敏感性小，循环韧性大 *在各类结构工程材料中，结构钢的疲劳强度最高（6）使用环境 *环境因素（低温、高温及腐蚀介质等）变化→疲劳强度↓↓ *温度↑→疲劳强度↓∵金属的变形抗力下降，使疲劳裂纹容易形成。