金属构件失效分析精简版

第一章1、失效分析：对装备及其构件在使用过程中发生各种形式失效现象的特征及规律进行分析研究，从中找出产生失效的主要原因及防止失效的措施。

2、失效形式：(1)变形失效a弹性变形失效b塑性变形失效（2）断裂失效a韧性断裂失效b 脆性断裂失效c疲劳断裂失效（3）腐蚀失效a局部（点腐蚀、晶间腐蚀、缝隙腐蚀、应力腐蚀开裂、腐蚀疲劳）b全面（均匀、不均匀）（4）磨损失效3、引起失效的原因：（1）设计不合理：结构或形状不合理，构件存在缺口、小圆弧转角、不同形状过渡区等高应力区（2）选材不当及材料缺陷（3）制造工艺不合理：工艺规范制定不合理（4）使用操作不当和维修不当4、失效：金属装备及其构件在使用过程中，由于应力、时间、温度、环境介质和操作失误等因素的作用，失去其原有功能的现象时有发生。

5.自行车的失效形式：磨损；家用液化气瓶：变形；锅炉：断第二章1、铸态金属常见的组织缺陷：a缩孔：金属在冷凝过程中由于体积收缩而在铸锭或铸件心部形成管状或分散孔洞称为缩孔。

细小的缩孔称为疏松。

b偏析：金属在冷凝过程中由于某些因素的影响而形成的化学成分不均匀现象。

c内裂纹d气泡和白点2、金属锻造及轧制件缺陷：（1）内部组织缺陷a粗大的魏氏体组织b网络状碳化物及带状组织c钢材表层脱碳（2）钢材表面缺陷：折叠、划痕、结疤、表面裂纹、分层3、钢中金属夹杂物种类：a脆性夹杂物b塑性夹杂物c半塑性变形的夹杂物4、脆性夹杂物易成为疲劳断裂的裂纹源原因：对于变形率低的脆性夹杂物，在钢加工变形过程中，夹杂物与钢基体相比变形甚小，由于夹杂物与钢基体之间的变形性的显著差异，造成在夹杂物与钢基体的交界处产生应力集中，导致微裂纹产生或夹杂物本身开裂5、a比b的危害大的原因：夹杂物的变形率V可在V≈０～１这个范围变化，若变形率低，钢经加工变形后，由于钢产生塑性变形，而夹杂物基本上不变形，便在夹杂物和钢基体的交界处产生应力集中，导致在钢与夹杂物的交界处产生微裂纹，这些微裂纹便成为零件在使用过程中引起疲劳破坏的隐患。

6、焊接裂纹的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂7、氧化膜应满足以下条件才具有保护性：a除致密和完整以外，金属氧化物本身稳定、难溶、不挥发、不易与介质发生作用而被破坏；b氧化膜与基体结合良好，有相近的热膨胀系数，不会自行或受外界作用二玻璃脱落；c氧化膜有足够的强度和塑性，足以经受一定的应力、应变作用，具有足够强度和抗变形能力。

8、金属氧化膜的生长规律：直线规律、抛物线规律、对数规律、立方规律、反对数规律9、腐蚀原电池的模型：锌在硫酸溶液中的溶解，同时有氢气自锌表面析出。

阳极（氧化）阴极（还原）析氢、吸氧。

阳极：Zn---Zn2+ +2e阴极：2H+ +2e----H210、在除氧气的稀硫酸溶液中锌板遭受腐蚀而铜板不受腐蚀的原因：铜的标准电极电位为0.3419V，在除氧的稀硫酸溶液中，H+不能成为铜的氧化剂，铜不发生腐蚀；但当稀硫酸含氧时，铜电极的某些部位发生O2+4H++4e→2H2O，O2消耗电子，还原成H2O，这是O2为氧化剂，铜板受腐蚀。

11裂纹焊接的分类：ａ热裂纹：结晶裂纹、高温液化裂纹、多边化裂纹b再热裂纹c冷裂纹：延迟裂纹、淬硬脆化裂纹、低塑性脆化裂纹d:层状撕裂12、为什么高强材料、大型装备及焊接工艺问世后，低应力脆断事故会不断地出现？传统的强度设计方法还能否使用？工业技术发展以前，事故比较少，因为广泛采用低强度韧性好的材料制造装备构件，材料低抗裂纹扩展有较强的能力，尽管已经存在裂纹，但裂纹扩展的速度慢，在构件寿命期内未进入裂纹失稳扩展阶段。

而工业大发展以后，工程结构复杂化、大型化，高参数的构件采用了低韧性的高强度材料，采用了对裂纹敏感的焊接结构，再加上制造和使用过程的苛刻条件，导致材料损伤基元变化加剧，裂纹易于萌生、长大、扩展成宏观裂纹。

13.脆性断裂失效的判据Ｋ判据,应力强度因子判据，这个判据可以解决工程结构很多实际问题。

①解释低应力脆断失效的原因②计算构件在服役条件下的最大裂纹容限，对构件做出安全评估③根据构件现存的裂纹尺寸，确定构件的最大工作应力或最大允许载荷④若能检出或从经验得出裂纹扩展速率，可计算出构件的安全寿命，并制订出合理的裂纹检测周期⑤确立材料强韧化的设计思想，或通过工艺处理提高材料的材料抵抗断裂的临界值。

第三章1、韧性断裂特征：a过程缓慢，变形与裂纹成长同时进行b不断消耗外界能量c裂纹扩展到临界尺寸发生韧性断裂2、(1)脆性断裂特征：a低应力条件下发生b在低温条件下发生c从金属构件内部存在的裂纹作为裂纹源d在体心立方和密排立方金属材料中出现e沿低指数晶面穿晶解理（2）A、预防脆断的措施：a合理选材合理结构设计b构件的最低工作温度应高于材料脆性转变温度c保证材料有足够的韧度d减小应力集中程度e尽量减小由焊接产生的缺陷B、金属为什么会产生脆性断裂:由于应力分布不均匀而造成三向应力状态，如构件的截面突然变化、小的圆角半径、预存裂纹、刀痕、尖锐缺口尖端处往往由应力集中而引起应力不均匀分布，周围区域为了保触变形协调，便对高应力区以约束，即造成三向拉伸应力状态（3脆性断裂的断口形貌断口的宏观形貌：小刻面、人字条纹或山形条纹(2)断口的微观形貌：河流条纹、舌状花样、其他花）3、疲劳断裂特征：a疲劳负荷是交变负荷b在交变负荷作用下一次应力对构件不产生明显破坏作用c疲劳起源点出现在最大拉应力作用下d疲劳断裂过程：疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展、瞬时断裂4（1）蠕变的定义：金属材料在长时间恒温、恒应力作用下，即使应力低于屈服强度，也会缓慢地产生塑性变形，这种现象称为蠕变（2）蠕变变形三个阶段产生的原因：第一阶段（减速蠕变阶段）：因晶内滑移和晶界滑动等位错刚开始，障碍较少，随后出现位错增殖及空位，位错密度增大，位错逐渐塞积，晶格畸变不断增加，造成形变强化，蠕变速率随之降低。

第二阶段（恒速蠕变阶段）：位错移动与形变强化成平衡状态，这就是稳态蠕变。

第三阶段（加速蠕变阶段）：变形加速增长，材料丧失抵抗变形的能力，并致裂纹扩展断裂5（1）影响疲劳断裂的因素及改善途径1、构件表面状态：措施:提高构件的表面质量（抛光、精磨加工）2、缺口效应与应力集中：许多构件包含有缺口、螺纹、孔洞、台阶以及与其相类似的表面积和形状，也可能有刀痕、机械划伤等表面缺陷，这些部位使表面应力提高和形成应力集中区，且往往成为疲劳断裂的起源。

措施：设计中应尽量避免应力集中，制造工艺要确保缺口质量，有缺口的构件应避免选用缺口敏感的材料3、残余应力：残余应力预加负荷的作用，残余拉应力对疲劳不利，残余压应力对疲劳有利。

措施：消除残余应力或保护表面残余应力。

4、材料的成分和组织：在低循环疲劳条件下，许多金属的疲劳寿命和晶粒大小无关；而在在高循环疲劳条件下，晶粒尺寸减小可增加疲劳寿命，但小晶粒又会增加钢材对缺口的敏感性。

措施：细化晶粒工作条件：环境条件、其中载荷频率、次载锻炼、间歇运行、服役环境的温度及介质情况是主要的。

5、以奥氏体不锈钢为例，说明贫铬机理当不锈钢构件在对晶间腐蚀敏感的温度(称敏化温度650~700 )范围内停留一定时间时，就会产生晶间腐蚀倾向。

本质原因：晶界析出Cr23C6,晶界正贫Cr，在腐蚀介质中晶界与晶粒构成活态—钝态微电池，电池具有小阳极—大阴极的面积比，这样就导致晶界区的腐蚀（1）碳来源：钢中碳固溶度随温度变化而变化，高温时固溶的碳多，随温度下降，碳在钢中固溶度显著下降，当在650缓冷时，那些过饱和的部分碳从奥氏体不锈钢中析出，且碳的析出阻力很小，很快到达晶界。

（2）铬来源:碳在晶界处与铬结合，且铬在奥氏体中扩散阻力大，故形成Cr23C6中的Cr 主要消耗晶界处的Cr，晶粒内部扩散阻力大，因而扩散消耗很少。

6、预防晶间腐蚀措施：a尽可能降低钢中含碳量，以减少或避免晶界上析出碳化物b采用适当的热处理以避免晶界沉淀相的析出或改变晶界沉淀相的类型，固溶处理或稳定化处理c 在不锈钢中加入适量的稳定化元素钛或铌，或微量晶界吸附元素硼d选用奥氏体-铁素体双相不锈钢7、电偶腐蚀影响因素a材料的起始电位差与极化作用：差值越大腐蚀倾向越大b阴阳极的面积比：电偶腐蚀的阳极面积减小，阴极面积增大，将导致阳极金属腐蚀加剧，是因为电偶腐蚀电池工作时，阳极电流总是等于阴极电流，阳极面积越小，则阳极上的电流密度越大，即阳极金属的腐蚀速率越大，所以应避免大阴极小阳极的面积比。

c介质电导率：导电率增加会导致阳极面积的相对增加，使阳极腐蚀速度反而减小8、如何理解疲劳断口上的沙滩条纹（贝壳条纹）与疲劳辉纹，其实质不相同：（1）疲劳辉纹：在疲劳断口的显微观察中可看到a是一系列基本上相互平行的条纹b每一条疲劳辉纹表示该循环下疲劳裂纹扩展前沿线在前进过程中的瞬时微观位置c疲劳辉纹可分为韧性辉纹和脆性辉纹d疲劳断口的微观范围内，由许多大小不同、高低不同的小断片组成e辉纹的数目与载荷循环次数相等（2）沙滩花纹：存在在疲劳裂纹扩展区，是疲劳裂纹前沿线间断扩展的痕迹，是由于裂纹扩展时受到障碍导致负荷周期性突变而产生的9、金属构件常见失效形式及其判断1.常见的失效形式分为四大类：变形失效、断裂失效、腐蚀失效和磨损失效。

2.弹性变形失效原因：过载、超温或材料变质。

(高负荷、高温度)3.塑性变形失效的原因：过载，使构件的受力过大5.弹性变形失效与塑性变形失效的区别：（1）弹性变形的特点：a可逆性b单值性c变形量很小（2）塑性变形的特点：a不可逆性b变形量不恒定c慢速变形d伴随材料性能的变化10断裂失效的分类:（1）按断裂前变形程度分类:韧性断裂、脆性断裂（2）按造成断裂的应力类型及断面的宏观取向与应力的相对位置分类：正断、切断（3）按断裂过程中裂纹扩展所经的途径分类：沿晶裂纹、穿晶裂纹、混晶裂纹（4）按负荷的性质及应力产生的原因分类：疲劳断裂、环境断裂（5）按微观断裂机制分类：解理断裂、韧窝断裂、疲劳断裂、蠕变断裂、结合力弱化断裂11、韧性断裂的宏观端口分为哪三个区：A.凹凸不平暗灰色且无光泽的纤维区b放射线纹理的灰色有光放射区c平滑丝光的亮灰色剪切唇区12、三个区域有何特点三个区所占整个断面面积与什么因素有关？因素：材料的性能、构件截面形状及尺寸、环境条件。

13、韧性断口上的等轴韧窝、切变韧窝、撕裂韧窝各在什么应力下产生？等轴韧窝：在正应力（即垂之于断面的最大主应力）的均匀作用下。

切变韧窝：在切应力（平行于断面的最大切应力）的作用下撕裂韧窝：在撕裂应力作用下出现伸长的或呈抛物线状的韧窝14、韧窝的大小，深浅和数量与什么因素有关韧窝的大小和深浅：决定于材料断裂时微孔的核心数量和材料本身的相对塑性,韧窝数量的多少取决于显微空洞数目的多少15、腐蚀类型按腐蚀历程分：化学腐蚀、电化学腐蚀、物理腐蚀；按腐蚀环境条件：工业介质的腐蚀、自然环境的腐蚀；按腐蚀形貌分类：全面腐蚀、局部腐蚀16、均匀腐蚀定义：如果金属材质和腐蚀环境都较为均匀，腐蚀均布于构件的整个表面，且以相同的腐蚀速度扩散，这种全面腐蚀就是均匀腐蚀防止：①选择合适的耐均匀腐蚀材料、②应用表面保护覆盖层、③控制环境、防蚀剂④电化学保护方法⑤合理的设计17、点腐蚀（孔蚀或小孔腐蚀）定义：在构件表面出现个别孔坑或密集斑点的腐蚀称为点腐蚀特征：1、特定材料，有钝化特性、阳极性镀层2、在特定的介质中3、特定电位4、孔蚀小5、隐蔽性6、局部的、有分散的，也有密集的7、经历一个诱导期，但长短不一8、当受到应力时，点蚀孔易成为裂纹源措施：1材料方面的措施：A选用耐点蚀性能良好的金属材料B对材料进行合理的热处理C 钝化处理或阳极氧化处理，使表面膜均匀致密2,、改善使用环境的措施A降低环境的侵蚀性B 提高溶液的流速或搅拌溶液C定期进行清洗D添加缓蚀剂E 阴极保护的电化学保护方法18、缝隙腐蚀定义：金属之间或金属与非金属之间形成很小的缝隙，使缝隙内介质处于静止状态，从而引起缝内金属加速腐蚀局部腐蚀形式称为缝隙腐蚀特征（与点蚀比）：1可发生在所有金属及合金上，对材料无特定限制2对介质无特定限制3易发生；措施：a材料方面的措施：A选用耐点蚀性能良好的金属材料B对材料进行合理的热处理C钝化处理或阳极氧化处理，使表面膜均匀致密b改善使用环境的措施A降低环境的侵蚀性B 提高溶液的流速或搅拌溶液C定期进行清洗D添加缓蚀剂E 阴极保护的电化学保护方法19、晶间腐蚀定义：晶间腐蚀是指构件金属材料的晶界及其邻近部位优先受到腐蚀，而晶粒本身不被腐蚀或腐蚀很轻微的一种局部腐蚀。