作業：（8）航空發動機渦輪盤-葉片構造◆材料為鎳基高溫合金，為何？◆服役環境的要素有哪些？◆有也許發生的失效類型是什么？◆怎樣設計試驗確定失效的類型？◆改善的提議和措施一．渦輪葉片的材料渦輪葉片處在溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位，是一種特殊的零件，它的數量多，形狀復雜，規定高，加工難度大，并且是故障多發的零件，一直以來各發動機廠的生產的關鍵。因此對渦輪葉片材料就有更高的規定。渦輪葉片的材料一般選擇鎳基高溫合金。鎳基合金就是以鎳為基礎，加入其他的金屬，例如鎢、鈷、鈦、鐵等金屬，做成以鎳為基礎的合金。有的鎳基高溫合金含鎳量到達70%左右，另一方面Cr含量也比較高。其性能重要有：1.物理性能。具有較高的熔點和彈性模量；各溫度下均有較低的熱膨脹系數，且隨溫度變化不大；沒有磁性。2.耐腐蝕性。鎳基合金由于含Cr，在氧化性的腐蝕環境中的耐腐蝕性優于純鎳。同步，由于Ni含量高，在還原性腐蝕環境下也能維持良好的耐腐蝕性能。還具有良好的耐應力腐蝕開裂性能，也能抵御氨氣和滲氮、滲碳氣氛。3.機械性能。鎳基高溫合金在零下、室溫及高溫時都具有很好的機械性能。4.高溫特性。高溫下耐氧化性極佳，對氮、氫以及滲碳也具有極佳的耐受性。5.熱處理及加工、焊接性。高溫鎳基合金不能通過熱處理進行失效硬化，但可以進行固溶熱處理和退火處理等。高溫鎳基合金比較輕易進行熱加工，冷加工性能比奧氏體不銹鋼好。焊接性能與原則奧氏體鋼同樣，可采用TIG焊接、MIG焊接以及手工電弧焊。總的來說，鎳基合金具有優良的熱強熱硬性能、熱穩定性能及熱疲勞性能，可以承受復雜應力，組織穩定，有害相少，高溫時抗氧化熱腐蝕性好，蠕變特性杰出，可以在相稱苛刻的高溫環境下進行服役。因此渦輪葉片的材料選擇高溫鎳基合金。二.渦輪葉片的服役環境渦輪處在燃燒室背面的一種高溫部件，而渦輪葉片處在溫度最高、應力最復雜、環境最惡劣的部位，即渦輪葉片的服役環境尤其的復雜與惡劣。總得來說，渦輪葉片服役環境的要素重要有：1.不均勻的高溫條件下工作。渦輪處在燃燒室背面的一種高溫部件，渦輪工作葉片的工作溫度大概在720℃～1120℃，其在工作時已到達紅熱狀態，并且其溫度場不均勻，伴隨飛行狀態的變化而承受不一樣的溫度，并且還存在高溫氧化，這些都使得渦輪葉片的服役環境非常惡劣。2.高轉速條件下工作。渦輪發動機靠渦輪葉片迅速旋轉將燃氣壓縮排出，裝化為機械能，為航天器提供動力。3.高應力和復雜應力條件下工作。渦輪工作葉片承受很大的離心力及其彎矩，還要承受燃氣施加的很高的彎曲載荷、熱應力，尚有振動應力和氣動力等復雜的應力作用。4.受到燃氣高頻脈動及燃氣腐蝕的影響。渦輪工作葉片直接接觸高溫高壓燃氣，燃燒產生的燃氣具有大量的Na，V，S等熱腐蝕性元素，使得渦輪工作葉片的工作環境更為苛刻。三．也許發生的失效類型根據渦輪葉片的服役環境，可以推斷出渦輪葉片的失效方式大概分為正常失效和非正常失效兩種。1.正常失效中的葉片損傷包括由磨損、掉塊、內裂等構成的表觀損傷和內部冶金組織損傷兩類。其中，內部冶金組織損傷是指葉片在低于規定使用溫度和應力的服役環境下發生的諸如γ＇相粗化，晶界及晶界碳化物形貌的變化，脆性相生成等顯微組織的變化。導致的重要失效形式是蠕變失效，但同步尚有高溫腐蝕、熱疲勞和低周疲勞及其交互作用等。蠕變損傷重要體現為蠕變孔洞和蠕變裂紋的產生。大多數渦輪葉片的失效方式為正常失效方式，即蠕變失效、蠕變－疲勞交互作用導致的失效和腐蝕失效。2.非正常失效是由于葉片設計不妥、制備缺陷或人員操作不妥引起的失效行為，重要體現為高周疲勞、超溫服役引起的過熱甚至過燒等失效形式。總的來說，渦輪葉片也許的失效類型重要為：疲勞失效、蠕變失效和過載斷裂等。四．設計試驗確定失效的類型1.疲勞失效。金屬零件再使用中發生的疲勞斷裂具有突發性、高度局部性及對多種缺陷的敏感性等特點；引起疲勞斷裂的應力一般很低，端口上常常可觀測到特殊的、反應斷裂各階段宏觀及微觀過程的特殊把戲。經典的疲勞端口的宏觀形貌構造可分為疲勞關鍵、疲勞源區、疲勞裂紋的選擇發展區、裂紋的迅速擴展區及瞬時斷裂區等五個區域。2.蠕變失效。蠕變斷裂是材料在恒定應力（應力水平低于材料的斷裂強度）作用下應變時間逐漸增長，最終發生斷裂。明顯的塑性變形是蠕變斷裂的重要特性，在端口附近產生許多裂紋，使斷裂件的表面展現龜裂現象。另一種特性是高溫氧化現象，在端口表面形成一層氧化膜。沿晶斷裂截面上可以清晰地看到局部晶間的脫開及空洞現象，端口上存在與高溫氧化及環境原因相對應的產物。3.過載斷裂。金屬構件發生過載斷裂失效時，一般顯示一次加載斷裂的特性，其宏觀端口與拉伸試驗端口極為相似。過載斷裂的微觀特性為塑性變形痕跡及穿晶斷裂特性。4.試驗確定失效類型。（1）失效產品直觀檢查。首先直觀檢查葉片，尋找首斷件，并確定葉片斷口的位置，觀測斷口的顏色，與否有其他的金屬飛濺物，與否存在氧化膜。觀測斷口附近與否有明顯的塑性變形，與否存在嚴重的掉快現象。（2）宏觀分析。用掃描電鏡觀測端口的宏觀形貌特性，找出裂紋源的位置，確定初裂紋的位置，并確定裂紋的擴展方向；觀測斷口表面的條紋把戲，觀測與否存在明顯的疲勞源區（一般出目前構件表面）、擴展區（弧線、人字紋）、瞬斷區（高塑性為纖維狀，脆性為晶粒狀或放射狀），并確定斷裂區于疲勞源區的相對位置；觀測外圍與否存在剪切唇。大體確定葉片的失效類型。（3）微觀分析。用電子顯微鏡觀測端口的微觀形貌特性，尋找與否存在條狀把戲，尤其是疲勞輝紋即具有一定間距的、垂直于裂紋擴展方向、明暗相間且互相平行的條狀把戲。觀測與否存在塑性變形痕跡，并確定斷裂為穿晶斷裂還是沿晶斷裂。（4）相構造分析。用X-射線衍射XRD分析斷口附近的相構成，并與葉片原材料鎳基合金中的相構造進行對比，根據新生相或含量發生很大變化的相分析斷口附近在斷裂時或斷裂前發生的變化。從而愈加精確的推斷斷裂失效類型。（5）應力分析。用X-射線應力儀分析斷口及附近的應力狀態，并分析斷裂時的應力狀態，從而更好地辨別過載斷裂與疲勞斷裂和蠕變斷裂，并可以用于辨別為疲勞斷裂的哪一種類型。（6）熱損傷分析。用硬度儀對葉片斷口及附近進行硬度測量，并結合前面測出的斷口附近的相組織，對葉片的超高溫狀態進行評價，分析葉片與否存在超高溫過熱跡象。通過對以上幾步的成果進行綜合分析，基本可以確定渦輪葉片的斷裂失效類型。五.改善的提議與措施1.渦輪葉片材料。目前航空發動機渦輪葉片使用的材料重要是以鎳、鈷、鐵為基的合金，其熔點在1800K左右。但為了為使航空燃氣渦輪發動機在尺寸小、重量輕的狀況下獲得高性能，重要的措施是采用更高的燃氣溫度，這就使得渦輪葉片的工作環境更為苛刻。為了更好的使渦輪葉片適應更高的規定，可以加緊研發采用耐熱性更高的鈮或鉬基合金。并且可以在渦輪葉片的材料表面涂覆耐熱性很高的陶瓷材料保護。2.構造優化設計。（1）對渦輪盤和渦輪葉片的形狀進行優化，減少渦輪旋轉的摩擦與阻力，減少渦輪工作時的應力應變脈動。（2）采用拓撲優化的空心渦輪盤，可以有效的減少渦輪質量從而到達不需要太大提高燃氣溫度而提高發動機性能的目的。（3）優化渦輪盤及渦輪葉片，變化其固有頻率，使固有頻率與渦輪工作時的振動頻率相差較遠，減少振動對渦輪的影響。（4）采用更有效的冷卻系統，這可以有效的減少渦輪葉片的工作溫度，延長渦輪葉片的壽命，并且可以提高燃氣的進口溫度，增長渦輪發動機的性能。3.工藝優化設計。采用合理的制作工藝和成形工藝，使渦輪盤及葉片獲得組織致密均勻的細小組織，可以極大的提高渦輪的工作性能。（1）采用先進的制備工藝：先進的鑄鍛變形工藝——提高了坯件的質量與塑性；粉末冶金工藝——提高了熱加工性能和合金屈服強度及疲勞性能等綜合力學性能；噴射成形工藝——獲得整體致密、成分均勻、組織細化、構造完整、靠近零件最終形狀的材料坯件。（2）采用先進的成形技術：等溫超塑性鑄導致形——加工余量小，表面完整，組織均勻；靠近等溫變形條件的渦輪盤鑄造——提高高溫塑性；直接熱等靜壓成形——以最小的加工余量成形靠近零件最終形狀的半成品。零件失效分析方案設計試驗原理1．材料常見的失效形式及其判斷措施；2．材料經典斷裂失效斷口的形貌及其特性；3.斷口分析技術；4．裂源及裂紋擴展方向的鑒別；5.力學性能測試技術。失效分析⑴選擇失效零部件，進行宏觀外形與尺寸的觀測和測量，拍照留據，確定重點分析的部位。⑵調查零部件的服役條件和失效過程。⑶查閱失效零部件的有關資料，包括零部件的設計、加工、安裝、使用維護等方面的資料。３.５：搜集資料：該零件在相似＼不一樣工作條件下的實效形式，觀測斷口狀況，記錄有關信息；對本零件的實效也許性做出幾種假設，在後來試驗中留心有關證據，驗證假設與否對的。（ＰＳ：有點類似人工智能的推理模式）⑷試驗研究試驗措施與環節1、對整個零件進行檢查，包括（1）斷裂形式、部位及塑性變形狀況，并注意裂紋源區；（2）有無腐蝕痕跡；（3）有無磨損跡象；（4）表面狀況（有無機械損傷，顏色變化，氧化及脫碳現象）；（5）原材料質量，加工缺陷等。（６）注意與假設對比：看與否有假設相似的，相似則深入驗證其他的，不一樣則做更多的假設．ＰＳ：一定要在假設中做一條我們最終要得出的。2、斷口宏觀分析用放大鏡觀測斷口表面，重要內容有（1）裂紋源與終止點；（2）斷裂面、裂紋擴展方向；（3）斷口附近的塑性變形狀況；（4）斷口與否清潔光亮；（5）斷口構造特點、貝紋特性及終端區大小，（6）注意與假設對比：看與否有假設相似的，相似則深入驗證其他的，不一樣則做更多的假設．ＰＳ：一定要在假設中做一條我們最終要得出的。并拍照留據。3、斷口硬度檢測在斷口附近取若干個樣本檢測點，用洛氏硬度計進行硬度檢測并與原則硬度值進行比較。4. 金相檢測在斷裂件上截取金相試樣，經鑲嵌、打磨和拋光，再用3%硝酸酒精溶液侵蝕後在金相顯微鏡下進行顯微組織觀測。5.下結論：通過以上試驗得出一種結論：對防止該類零件的實效提出提議：對本試驗做一種總結：缺陷和長處，值得改善與發揚的地方。材料失效分析復習大綱一、材料失效分析總論1、失效定義：指產品(構件)因微觀構造和外觀形態發生變化而不能滿意地到達規定的功能。2、失效的微觀構造：原子的電子構造、原子間互相作用、原子團三維分布、顯微組織形態。3、失效的外觀形態：局部腐蝕、局部磨損、過度變形、表面異物。4、失效分析的內容（5項）：鑒定失效模式、界定失效缺陷、鑒定失效機理、確定失效起因、提出處理對策5、失效的五種模式：斷裂、腐蝕、磨損、畸變、衰減。6、失效機理：是致使構件失效所發生的物理、化學的變化過程，即失效的微觀機制。例如：腐蝕模式下的電偶腐蝕、縫隙腐蝕、晶界腐蝕、點蝕等。7、失效的影響原因：材料選用不適、構造設計欠妥、制造質量一般、安裝方式不妥、檢測措施常規、組織性能劣化、維護過程疏漏、人員操作有誤、工況介質復雜、外部環境變化、失效機理不明、防護措施簡樸、理制度不嚴（注意：考試時不規定所有列出，寫出幾種原因即可）8、失效分析的八個方面：設計、材料、制造、安裝、檢查、操作、維護、環境。9、失效分析的重要環節：現場檢查：運行史、工藝流程、圖紙查對、取樣等；外觀檢測：斷口(缺陷)宏觀形態及異物等觀測與分析；微觀分析：斷口(缺陷)的微觀形貌觀測與成分測定；性能檢查：材料力學、物理、化學等性能的試驗評估；環境評估：工況介質、異物等測試與評價；模擬試驗：失效現象的再現和驗證（按需進行）；事故結論：分析成果必須迅速、對的；處理對策：治理方案應當簡樸、有效。10、失效分析工作者應有的素質：(1)品德高于技術：實事求是，客觀公正，敬業負責；(2)調查重于理論：深入現場，觀測跡象，尋找旁證；(3)宏微觀相結合：宏觀是表象,微觀是本質,分析要精確；(4)綜合知識并重：勤學多問，理論與實踐相結合；(5)團體合作至上：個人知識有限，集體力量無限；(6)系統完整嚴密：前後一致，因果一致，推論可信；(7)迅速對的有效：分析迅速，結論對的，實行有效。二、金屬的斷裂1、脆性斷裂特點：①斷裂時承受的工作應力很低，一般低于σ0.2；②裂紋源總是從內部的宏觀缺陷處開始；③T↓，脆斷傾向↑；④斷口平齊、光亮，且與正應力垂直，斷口上常呈人字紋或放射性把戲。2、斷裂途徑①沿晶斷裂：裂紋萌生和發展是在晶界處發生的過程。多為脆斷（氫脆斷裂），少數為韌性斷裂（高溫蠕變斷裂）。②穿晶斷裂：裂紋萌生和發展是在晶粒內部處發生的過程。可以是韌性的（微孔匯集型斷裂），也可以是脆性的（解理斷裂、穿晶應力腐蝕斷裂）。3、解理斷裂定義：這是一種在正應力作用下所產生的穿晶斷裂，一般斷裂面是嚴格沿一定的晶面（解理面）而分離。注意：一般解理斷裂總是脆性斷裂，但脆性斷裂不一定是解理斷裂。4、斷口三要素及其應用：三要素：纖維狀區、放射狀區、剪切唇區。應用：根據斷口三要素可以判斷裂紋源的位置及宏觀裂紋擴展方向。（1）裂紋源位置確定：①運用纖維區，一般狀況裂源位于纖維區的中心部位，因此找到纖維區的位置就找到了裂源的位置；②運用放射區形貌特性，一般狀況下，放射條紋的收斂處為裂源位置；③根據剪切唇形貌特性來判斷，一般狀況下裂紋處無剪切唇形貌特性，而裂源在材料表面上萌生。（2）裂紋擴展方向確實定：①纖維區指向剪切唇；②放射條紋的發散方向；③板狀樣展現人字紋其反方向為源擴展方向。5、解理斷裂微觀特性：扇形把戲、解理臺階、河流把戲、舌狀把戲、青魚骨把戲、瓦納線。6、影響斷裂韌性KIC的原因：（1）內部原因：①化學成分：細化晶粒元素，提高強度和塑性，KIC提高；強烈固溶強化的元素使KIC下降；形成金屬化合物并呈第二相析出的合金元素，減少KIC。②基體相構造和晶粒大小：面心立方構造，KIC高；晶粒小，KIC高。（2）外部原因：①溫度：T↓，KIC↓；②應變速率：應變速率↑，KIC↓；應變速率↑10倍，KIC↓10％；當應變速率很大時，絕熱狀態，局部升溫，則KIC↑。7、斷裂韌性KIC與沖擊吸取功AKV之間的關系：①由于裂紋缺口、加載速率不一樣，兩者隨溫度變化曲線不一樣樣；②由KIC確定的韌脆轉變溫度比AKV的高。8、作業題（重點）：問題1：一批鍛件毛坯在抽樣檢查時，發現屈服強度與斷面收縮率均不滿足規定，檢查人員根據斷口特性決定采用正火處理，再檢查性能所有合格。試問：1、檢查人員看到斷口有何特性？答：結晶狀脆性斷口（過熱脆性結晶狀斷口）。2、產生的原因是什么？答：產生原因：①鑄造溫度過高，使原奧氏體晶粒過度粗大；②壓下量局限性，晶粒破碎不夠；③終鍛溫度過高，發生了晶粒長大，使晶粒過粗或粗細不均。3、正火後為何強度和塑性均有提高？答：正火發生可使晶粒細化，改善鍛件質量。問題2：在什么條件下易出現沿晶斷裂？怎樣防止沿晶斷裂？答：①晶粒過度粗大——細化晶粒處理；②晶界弱化——凈化晶界；③環境介質——改善工作環境；④熱應力——退火消除。三、環境斷裂1、環境斷裂定義：重要指金屬材料在腐蝕介質、溫度環境等條件的影響下，產生的沿晶或穿晶低應力脆斷現象。2、SCC（應力腐蝕斷裂）影響原因及防止措施：影響原因：①應力：拉應力；②環境介質：材料對介質具有選擇性；③成分：高強鋼中的碳含量、鋁鎂合金中Mg含量；④熱處理工藝：T6、T76、T77(RRA)。防止措施：減少應力；表面處理（噴丸、滲碳、氮化），使表面產生一定的壓應力；變化腐蝕介質；合理選材；電化學保護3、氫脆斷裂：金屬材料由于受到含氫氣氛的作用而引起的低應力脆斷。分為內部氫脆和環境氫脆兩種類型。4、過熱斷口和過燒斷口的定義及斷口形貌特性：（1）過熱斷口：材料在熱鍛、熱軋或熱處理加熱時長時間停留，由于晶粒粗大而引起的低應力脆斷。斷口形貌特性：①宏觀形貌：過熱鋼呈石狀，顏色淺灰，無金屬光澤；②微觀形貌：經典的延性沿晶斷口。過燒斷口：材料在超過過熱溫度下加熱，由于晶界上出現氧化物、裂紋或局部熔化，晶粒粗大及魏氏組織而引起的低應力脆斷。斷口形貌特性：所有為石狀，顆粒粗大，顏色灰暗，嚴重過燒時出現豆腐渣狀斷口。鋁合金過燒後，表面出現許多氣泡，晶界熔化成網絡狀熔化節。高周疲勞、低周疲勞和熱疲勞定義：高周疲勞：材料在低應力（σ＜σ0.2）的作用下而壽命較高（Nf＞105）的疲勞。低周疲勞：材料在反復變化的大應力或大應變作用下，使材料的局部應力往往超過σ0.2，在斷裂過程中產生較大塑性變形，是一種短壽命（Nf＜102—105）的疲勞。熱疲勞：由溫度起伏（升高或減少）或熱循環效應引起的疲勞損壞。如熱軋輥、熱壓模具表面出現的“龜裂”。6、疲勞斷裂三個過程：疲勞裂紋的萌生、疲勞裂紋的擴展、斷裂。7、疲勞輝紋與疲勞條紋（貝紋線）區別：①疲勞輝紋是顯微特性線，是一次交變應力循環裂紋尖端塑性鈍化形成的；②貝紋線是宏觀特性線，因交變應力幅度變化或載荷停歇等導致的。輝紋線的四要素（特點）：①輝紋互相平行并且垂直于局部裂紋擴展方向；②輝紋間距隨循環應力強度因子振幅而變化；③輝紋個數等于負載循環次數；④一般斷面上一組輝紋是持續的，其長度大體平行；相鄰斷面上的輝紋不持續。四、斷口分析技術1、主裂紋與二次裂紋的鑒別（規定會用三種措施：T型法、分叉法、變形法來分析）（1）T型法：若一種構件上產生兩條裂紋或幾種碎片合攏起來，其裂紋構成“T”型，一般狀況下，橫穿裂紋A為首先開裂的，這時可以認為A裂紋阻礙了裂紋B的擴展，A為主裂紋，B為二次裂紋，裂源位置也許在O或O’處。如下圖所示：分叉法：一般狀況下，裂紋分叉的方向為裂紋擴展方向，其反方向指向裂紋源O點處。即分叉裂紋為二次裂紋（B、C、D），匯合裂紋為主裂紋A。如下圖所示：變形法：根據變形量的大小來鑒別。變形量大的部位為主裂紋A，其他部位為二次裂紋，裂源在主裂紋所形成的斷口上。如下圖所示：裂紋源于裂紋擴展方向的鑒別（位置鑒別和鑒別措施）：裂源也許位置：材料表面、材料次表面、材料內部（夾渣、氣孔等地）、應力集中處（尖角、油孔、凹槽及劃痕等）。裂源的鑒別措施：運用斷口宏觀形貌特性來鑒別①根據斷口三要素，裂源位于纖維區中心、放射線或人字紋收斂處、無剪切唇處；②若為疲勞斷口，裂源位于平滑區及疲勞前沿線曲率半徑最小處；③若為環境斷裂，裂源位于氧化或腐蝕最嚴重的表面或次表面。五、復合材料的失效分析1、復合材料的性能重要取決于什么？（4點）①彌散組元；②基體的固有性能；③彌散組元的幾何原因(尺寸和形狀)；④彌散組元與基體之間界面的特性。環境條件對復合材料性能惡化的影響：溫度的和化學的環境條件對復合材料性能的影響很大：（1）溫度的影響是三重的：①纖維和樹脂不一樣的膨脹系數導致內應力的產生；②組元(尤其是樹脂)的性能隨溫度而變化；③蠕變抗力隨溫度而劇烈變化。（2）化學環境的影響：①濕氣對樹脂性能惡化；②水能從玻璃纖維中浸出可溶性氧化物,從而生成表面凹坑；③在酸性環境中,玻璃纖維復合材料由于氫離子互換過程而產生應力腐蝕，引起玻璃的表層收縮，在表面產生巨大的拉應力，從而減少了玻璃的強度。復合材料的應力-應變曲線分析：假如纖維所占的體積百分數足以承受載荷(即在纖維臨界體積V以上時)，則基體(以及復合材料)將斷裂多次，使單向纖維增強復合材料的拉伸曲線展現出左圖所示形狀。可以看到，纖維的損壞導致纖維被拉出，從而吸取更多的能量，使得復合材料具有非劫難性斷裂的特性。六、磨損破壞1、磨損定義：接觸物體作相對運動時,因機械、物理-化學作用導致表面材料分離，使表面形狀、尺寸、組織及性能發生變化的過程稱磨損。一、失效的基本概念所謂失效——重要指機械構件使用過程中由于尺寸、形狀或材料的組織或性能發生變化而引起的機械構件不能完好完畢指定功能或喪失本來設計功能的現象。一種機械零部件被認為是失效，應根據與否具有如下三個條件中的一種為判據：（1）零件完全破壞，不能工作；（2）嚴重損傷，繼續工作不安全；（3）雖能臨時安全工作，但已不能滿意完畢指定任務。上述狀況的任何一種發生，都認為零件已經失效。二、失效的形式機械零部件最常見的失效形式有如下幾種：1．斷裂失效：一般包括塑性（韌性）斷裂失效；低應力脆性斷裂失效；疲勞斷裂失效；蠕變斷裂失效；應力腐蝕斷裂失效。2．表面損傷失效：一般包括磨損失效；腐蝕失效；表面疲勞失效3．變形失效：包括塑性變形失效；彈性變形失效同一種零件可有幾種不一樣失效形式。一種零件失效，總是由一種形式起主導作用，很少以兩種形式主導失效的。但它們可以組合為更復雜的失效形式，例如腐蝕磨損、腐蝕疲勞等。三、失效分析目的1.防止同類失效現象反復發生2.失效分析是改善機械產品設計及制造工藝的根據3.消除隱患，保證機械產品安全可靠4.失效分析可以提高機械產品的信譽此外，失效分析還能為產品的仲裁、索賠，制定指令性文獻等提供重要根據。失效分析對質量控制、材料的發展及規劃、儀器設備的對的維護和使用等也可提供合理化意見。四、失效分析措施1.原始資料的搜集原始資料指工件服役前的所有經歷、構件的服役歷史和斷裂時的現場狀況等。（1）構件服役前的經歷首先要理解構件設計根據，另一方面是理解構件的制造和加工工藝，然後理解構件的物理性質、力學性能和化學成分分析的檢查匯報，最終理解構件的安裝及試車狀況等。（2）構件的服役歷史實際上很難懂得構件的所有服役歷史，這就必須從零星的使用狀況綜合工件服役時的負載變化，盡量從使用條件中得到某些分析根據。（3）現場記錄及殘骸的搜集斷裂失效發生後，規定分析人員親臨現場，深入理解發生時的多種條件和事故過程。對于散落的碎片，均應觀測其所處位置、環境、取向，經詳細記錄或攝影方可移動。同步還應注意損壞構件與其他構件之間的關系，并且記錄。搜集碎片應盡量齊全，尤其是首先斷裂的部分。除沾著的腐蝕性介質應即時洗去，對端口上的其他物質，一般不處理，待進行詳細斷口觀測後再處理。2.斷口分析斷口分析是斷裂失效分析的最重要的分析過程。斷口觀測包括宏觀和微觀觀測。（1）斷口的宏觀觀測斷口的宏觀觀測是指用肉眼、放大鏡、光學顯微鏡及掃描電鏡的低倍觀測。首先用肉眼或放大鏡觀測斷裂構件的外貌，應尤其注意構件碎片的表面觀測，看看有無加工缺陷，與否存在應力集中地微弱環節以及表面損傷。接著，根據斷口的宏觀特性來確定裂紋源及裂紋的擴展方向。（2）斷口的微觀觀測斷口的微觀觀測一般應用電子顯微鏡。通過對斷口的微觀觀測可以深入澄清斷裂的途徑、斷裂的性質、環境對斷裂的影響等原因外，還將找出斷裂的原因及斷裂機理。應用掃描電鏡可直接觀測實物斷口表面，可持續放大。電子圖像立體感強，是分析斷裂失效最有力的工具。3．化學分析在失效分析中，為了查明材料與否符合規定規定，必須進行化學成分分析。4.金相檢查金相檢查在斷裂失效分析中也是常常應用的一種重要手段，有些損壞構件往往只需做金相檢查就可以查明損壞的原因。金相檢查重要內容有晶粒大小、組織形態、第二相粒子的大小及分布、晶界的變化，以及夾雜物、疏松、裂紋、脫碳等缺陷。5.模擬試驗所謂模擬試驗，是指把已知條件下斷裂的斷口形貌與未知條件下斷裂者進行比較，從而初步判斷分析與否對的，也稱為對比試驗。實際狀況中，要對實際失效進行所有模擬是很難做到的，不過對其中一種或者兩個參數或參量進行模擬，還是可以辦到的。6.綜合分析失效分析進行到一定階段，需要對多種檢查和試驗所得成果和基本試驗數據進行全面的分析研究。一般而言，可以從多種檢測成果、試驗數據和記錄的綜合分析中，得出失效分析的一種或幾種重要原因，并且提出改善措施。最終，應做出全面詳細的失效分析匯報：（1） 失效構件的描述（2） 失效時服役條件（3） 失效前服役條件（4） 構件制造及熱處理過程（5） 失效構件材料冶金質量評估（6） 多種物理、化學、力學試驗（7） 失效重要原因及其影響原因（8） 防止措施及其改善意見等三、試驗內容與環節㈠試驗內容失效分析的目的⑴防止同類失效現象反復發生⑵失效分析是機械產品設計、制造的根據⑶消除隱患，保證產品安全可靠⑷失效分析可以提高產品的信譽失效的形式及其類型失效的分類比較復雜，按其失效機理將失效分為：斷裂失效；變形失效；磨損失效；腐蝕失效等四種類型。⑴斷裂失效斷裂是指金屬或合金材料或機械產品在力的作用下提成若干部分的現象。它是個動態的變化過程，包括裂紋的萌生及擴展過程。斷裂失效是指機械構件由于斷裂而引起的機械設備產品不能完畢原設計所指定的功能。斷裂失效類型有如下幾種：①解理斷裂失效；②韌窩破斷失效；③準解理斷裂失效；④疲勞斷裂失效；⑤蠕變斷裂失效；⑥應力腐蝕斷裂失效；⑦沿晶斷裂失效；⑧液態或固態金屬脆性斷裂失效；⑨氫脆斷裂失效；⑩滑移分離失效等。⑵變形失效所謂變形一般是機械構件在外力作用下，其形狀和尺寸發生變化的現象。從微觀上講是指金屬材料在外力作用下，其晶格產生畸變。若外力消除，晶格畸變亦消除時，這種變形為彈性變形；若外力消除，晶格不能恢復原樣，即畸變不能消除時，稱這種變形為塑性變形。變形失效是指機械構件在使用過程中產生過量變形，即不能滿足原設計規定期變形量。一般狀況下將變形失效分為彈性變形失效和塑性變形失效兩種。彈性變形失效將使機械構件表面不留任何損傷痕跡，僅是金屬材料的彈性模量發生變化，而與機械構件的尺寸和形狀無關；塑性變形失效將導致機械構件表面損傷，其機械構件的形狀與尺寸均發生變化。⑶磨損失效磨損是摩擦作用下物體相對運動時，表面逐漸分離出磨屑而不停損傷的現象。磨損失效是指由于磨損現象的發生使機械零部件不能到達原設計功能，即不能到達原設計水平。磨損失效的類型有：①粘著磨損失效；②磨粒磨損失效；③腐蝕磨損失效；④變形磨損失效；⑤表面疲勞磨損失效；⑥沖擊磨損失效；⑦微振磨損失效等。⑷腐蝕失效腐蝕是指金屬或合金材料表面因發生化學或電化學反應而引起的損傷現象。金屬腐蝕雖然在酸洗、化學電源、電解加工、金相浸蝕等方面起著有益于人類的作用，不過它在國民經濟上所導致的損失是相稱嚴重的。由于腐蝕作用是機械構件喪失原設計功能的現象稱為腐蝕失效。腐蝕失效的類型有：①直接化學腐蝕失效；②電化學腐蝕失效；③點腐蝕失效；④局部腐蝕失效；⑤沿晶腐蝕失效；⑥選擇性腐蝕失效；⑦縫隙腐蝕失效；⑧生物腐蝕失效；⑨磨損腐蝕失效；⑩氫損傷失效；o11應力腐蝕失效等。失效分析措施進行失效分析時，首先要理解失效分析程序。由于機械構件多數是在運行過程中發生斷裂失效的，每當一種零部件斷裂損壞時，它和別的零部件、周圍環境和操作人員等均有著拾分親密的關系。查找原因時要從設計水平、材料質量、加工狀態、維修狀況、裝配精度、工作環境、服役條件和操作措施等原因中找出導致損壞的重要原因，并根據損壞的原因、機理、類型和階段，進行分析判斷，制定出改善措施。斷裂過程是個動態過程，對斷裂直接進行觀測分析是比較難的；而斷口是斷裂的靜態反應，假如對斷口進行仔細觀測和分析就能找出斷裂的原因、機理等。由于斷口如實地反應了機械構件斷裂的全過程，及機械構件裂紋的萌生與擴展過程，斷口分析是機械構件斷裂失效分析的一種重要手段。為了獲得更好的分析效果，對這一分析手段還必須輔以一系列其他的檢查措施，如無損檢測、機械性能試驗、金相檢查、化學分析、X射線分析、斷裂韌性試驗、電子能譜分析、模擬試驗等。最終將上述分析和試驗的成果與數據進行綜合分析，并提出改善措施，寫出失效分析匯報。⑴原始資料的搜集原始資料是指構件服役前的所有經歷、服役歷史和斷裂時的現場狀況等。此外，還要從散落的失效殘骸中選擇有分析價值的斷口和供做其他檢測用的試樣材料。⑵碎片（或斷片）的選擇與保留①主裂紋的鑒別進行斷口分析時，首先要選擇最先開裂的構件斷口。有時一種構件在斷裂過程中形成幾種斷片時（如高壓容器或鍋爐爆炸事故等），也要選擇最先斷裂的斷口，即主裂紋所形成的斷口。常常使用的主裂紋的鑒別措施有：T型法，分枝法，變形法和氧化法等四種措施。四種鑒別措施如圖所示。T型法將散落的斷片按相匹配的斷口合并在一起，其裂紋形成T型。分枝法將散落的斷片按相匹配斷口合并，其裂紋形成樹枝型。在斷裂失效中，往往在出現一種裂紋後，產生諸多的分叉或分枝裂紋。裂紋的分枝或分叉方向一般為裂紋的局部擴展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂紋為二次裂紋，匯合裂紋為主裂紋。變形法將散落的斷片按相匹配斷口合并，構成本來機械構件的幾何形狀，測量其幾何形狀的變化狀況，其變形量較大的部位為主裂紋，其他部位為二次裂紋。氧化法在受環境原因影響較大的斷裂失效中，檢查斷口各個部位的氧化程度，其中氧化程度最嚴重者為最先斷裂者即主裂紋所形成的斷口，由于氧化嚴重者闡明斷裂的時間較長，而氧化輕者或未被氧化者為最終斷裂所形成的斷口。分叉法A:主裂紋;B分叉法A:主裂紋;B、C、D：二次裂紋；O:裂源變形法A：主裂紋；B、C：二次裂紋；氧化法A:主裂紋形成的斷口部分；B:二次裂紋形成的斷口部分；O:裂源T型法A:主裂紋；B：二次裂紋；O：裂源②二次裂紋的選擇斷裂失效分析過程中，主裂紋所形成的斷口損傷很嚴重而不能提供斷裂形貌特性時，則要分析研究二次裂紋所形成的斷口。二次裂紋的鑒別措施如上所述。二次裂紋的類型有：分枝的二次裂紋；橫向取向的二次裂紋。運用二次裂紋選用斷口試樣重要是下面幾種狀況：1）主裂紋化學腐蝕嚴重。如環境斷裂條件下，主裂紋不能提供斷口形貌特性時；2）擦傷嚴重的主裂紋斷口不能反應斷裂形貌特性；3）高溫條件下的主裂紋斷口，往往有一層較厚的氧化膜；4）分析研究斷裂機理、斷