--1第一章 材料失效分析概论

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在失效分析时应将二者区分开来。例 如，在分析某零件发生断裂的原因时，不 能简单地根据该产品的某项技术指标不符 合标准要求，就作为判断失效原因的依据。 这一结论可能正确也可能完全不正确。 • 例:模数为7的传动齿轮，采用20CrMnTi 钢制造，经渗碳淬火并低温回火处理。技 术要求是：渗碳层的硬度58 ～ 63HRC，心 部硬度32～8HRC，马氏体及残余奥氏体≤4 级，渗碳层深度为1.3～1.5mm。该齿轮在 使用中发生断齿失效，试分析断齿原因。
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传统的零件失效多指金属零件失效，即由名 义上各向同性材料制成的零件失效。 • 随着材料科学的发展，复合材料的应用比重 越来越大，在21世纪，复合材料将超过金属材料 的使用量，从而在材料中占有主导地位，因此应 加强对复合材料失效的研究。 • 复合材料的失效，又称为复合材料破坏，指 复合材料在经过某些物理、化学过程后(如载荷作 用、材料老化、温度和湿度变化等)发生了形状尺 寸、性能的变化而丧失了预定的功能。 • 复合材料是一种各向异性的多相复合体，失 效过程要比通常的各向同性材料复杂得多，它涉 及到组分材料的性能、复合的方式、工艺条件、 界面性能、载荷的性质与环境因素等，不可能只 用一种失效模式来描述复合材料失效。绝大多数 情况下是几种失效模式同时存在和发生。
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失效分析的对象是在使用中发生失效 的产品。这些产品通常是经过出厂检验合 格的，即符合技术标准要求的产品(在个别 情况下也有漏检的废品)。分析的主要目的 是寻找失效的原因。漏检和技术标准不合 理都可能是失效的原因，如果属于后者， 则应对技术标准进行修改。 • 废品分析的对象是不符合技术标准的 产品及半成品。它所讨论的问题是产品及 半成品为什么不符合技术标准的要求。至 于产品的技术标准是否正确则不属于废品 分析要解决的问题。
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按照失效分析工作进行的时序(在失效的前后) 和主要目的，失效分析可分为事前分析、事中分 析和事后分析。 事前分析，主要采用逻辑思维方法(如故障树 分析法、事件时序树分析法和特征一因素图分析 法等)，其主要目的是预防失效事件的发生。 事中分析，主要采用故障诊断与状态监测技 术，用于防止运行中的设备发生故障。 事后分析，是采用实验检测技术与方法，找 出某个系统或零件失效的原因。 通常所说的失效分析是指的事后分析，本课 程介绍的内容也侧重于此。实际上，事前分析和 事中分析必须以事后分析积累的大量统计资料为 前提。
• 1.1.2失效分析 • 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， 也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。它的任务是既要揭示产品 功能失效的模式和原因，弄清失效的机理和 规律，又要找出纠正和预防失效的措施。
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失效分析学(失效学)是人类长期生产实 践的总结，与其他学科相比，有两个显著的 特点：一是实用性强，即它有很强的生产使 用背景，与国民经济建没存在着密切关系； 二是综合性强，即它涉及广泛的学科领域和 技术部门，图1.1给出了失效分析学与其他 学科的关系。 • 应该指出，失效分析与生产现场所进行 的废品分析在所涉及的专业知识、采用的思 想方法及分析手段等方面，有许多共同之处。 但是，二者在分析的对象、分析的目的及判 断是非的依据等方面是不同的。
材料失效分析ห้องสมุดไป่ตู้
Failure analysis of materials
沈阳大学
郭晓光
第 1章
概
论
• 1.1 失效与失效分析 • 1.1.1 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他材料形成的构件 (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。
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根据上述分析，该齿轮断齿失效是由于齿根 加工质量不良产生的严重应力集中引起的。 其改进措施应是提高齿根的加工质量，减少 应力集中及防止过载。 实践证明这一分析结论是正确的。按照分析 的观点，如果增加硬化层的深度至1.3～1.5mm， 虽然符合技术要求，但由于渗碳层的脆性进一步 加大，不但解决不了此类断齿问题，而且会增加 此类断齿的危险性。 同样，失效分析所进行的研究工作也不能等 同于某一学科某一问题的实验研究和理论分析。 失效分析研究工作侧重点在于一个零件所发 生的具体失效原因和失效过程，具有很强的工程 针对性和适时性；而一般的实验研究目的带有一 定的普遍性。
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零件失效即失去其原有功能的含义包括三种 情况： (1)零件由于断裂、腐蚀、磨损、变形等，从 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。
失效在英文中叫做“failure”，意指达 不到预期的或需要的功能或不足，按词义可 译为“失灵”、“失事”、“故障”、“不 足”等。在国内有时俗称“损坏”、“事故” 等。 • 上述名词的含义有许多相似之处，常常 混用。为防止混乱，在1980年12月召开的中 国机械工程学会机械产品失效分析会议上， 我国学者正式确定为“失效”。 • 应特别指出，“失效”与“事故”是两 个不同的概念，必须加以区别。 • 事故是指一种后果，它可以是由于“失 效”引起的，也可能是其他原因造成的。 •
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分析一 ：按技术要求对该齿轮进行常规检查， 其结果是：渗碳层硬度为62HRC，心部硬度为42 HRC，马氏体及残余奥氏体为3级，均符合要求， 但渗碳层深度为1.1mm，不符合技术要求。对于这 个齿，如果在出厂前发现硬化层深度低于技术要 求而判为不合格品，这是无可非议的。但是现在 要处理的问题是齿轮为什么发生断齿，那就不能 简单地认定是硬化层深度不足而引起的。 • 分析二：按失效分析的观点，在进行上述常 规检查后应作进一步分析。分析表明，断口为宏 观脆性断裂(掉下的齿形呈凸透镜状)，众多初裂 纹源于表面加工缺陷处，经快速扩展后引起断裂， 属过载类型的宏观脆性断裂。