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1、课 程 教 案课程名称： 材料失效分析实验 任课教师： 刘先兰 所属院（部）： 机械工程学院 教学班级： 2011级金属材料工程 教学时间：20132014学年第二学期湖 南 工 学 院材料失效分析实验实验课程编码： 学时：6适用专业：金属材料工程先修课程：材料科学基础、材料力学性能、金属塑性成型原理、现代材料检测技术等考核方式： 一、实验课程的性质与任务帮助学生进一步理解所学知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握；能够利用所学的知识建立失效分析方法和思路（故障树）；熟悉判断失效零件裂纹源的方法；熟知各类断裂件的断口形貌及断裂机制，分析各种断裂类型、起裂
2、点及断裂过程。二、实验项目实验一 材料失效中的金相分析法实验（2学时）实验二 零件失效的宏观分析法（2学时）实验三 静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）三、实验报告要求每个实验均应写实验报告。按统一格式，采用统一封面和报告纸。实验报告内容应包括实验名称、目的、内容和理论基础、实验设备（名称、规格及型号）及材料名称，实验步骤、实验结果、结果分析。四、其它要求实验中，注重知识、能力、素质的协调发展，突出学生的创新精神与创新能力的培养。五、教材和参考资料1教材：材料失效分析，庄东汉主编.华东理工大学出版社.2参考资料：1机械零件失效分析，刘瑞堂编，哈尔滨工业大学出版社.2材料成形与失效，
3、王国凡主编，化学工业出版社.3材料现代分析方法，左演声主编，北京工业出版社.4 断口学，钟群鹏主编，高等教育出版社.5 金属材料及其缺陷分析和失效分析100例，候公伟主编，机械工业出版社.实验一 材料失效中的金相分析法实验（2学时）金相分析技术的重要性在于：（1）根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷；（2）根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因【1】实验的目的和要求1）目的通过实验，帮助学生进一步理解和掌握所学专业知识，加深对一般工程结构和机械零件失效分析的基础知识、基本方法和基本技能的掌握。2）要求要求学生在熟悉和巩固各种检测方法的基本原理和应用特点的基础上，结合具体失效产
4、品，做出合理分析。能够运用金相分析法在材料失效分析中的应用。【2】实验内容或原理在失效件上切片，制备相关金相试样。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。一、材料失效分析方法分类一） 相关性分析的思路及方法 一般用于具体零、部件及不太复杂的设备系统的失效分析中。 1. 按照失效件制造的全过程及使用条件的分析方法（1）审查设计 如对使用条件估计不足进行的设计，标准选用不当，设计判据不足，高应力区有缺口，截面变化太陡，缺口或凹倒角半径过小及表面加工质量要求过低等均可能是致断因素。（2）材料分析 材料选用不正确，热处理制度不合理，材料成分不合格，夹杂物超级，显微组织不
5、符合要求，材料各向异性严重，冶金缺陷等。（3）加工制造缺陷分析 铸、锻、焊、热处理缺陷，冷加工缺陷，酸铣、电镀缺陷，碰伤，工序间锈蚀严重，装配不当，异物混入及漏检等。（4）使用及维护情况分析 超载、超温、超速，启动、停车频繁或过于突然，润滑制度不正确，润滑剂不合格，冷却介质中混有硬质点，未按时维修保养，意外灾害预防措施不完善等。 2. 根据产品的失效形式及失效模式分析的思路及方法 这是较为常用的分析方法。一个具体的零件失效后，根据其表现形式（过量变形、表面损伤和断裂）进一步分析失效模式，然后分析导致这种失效模式的内部因素和外部因素，最后找出失效的原因。 3. “四M”分析思路及方法 所谓“四M
6、”分析法，是指将Man（人）、Machine（机器设备）、Media（环境介质）和Management（管理）作为一个统一的系统进行分析的方法。对于一个比较复杂的系统常采用此种方法。依此分别进行如下四方面的分析工作。（1）操作人员情况的分析 如工作态度不好、责任心不强、玩忽职守、主观臆断和违章作业等不安全行为以及缺乏经验、反应迟钝和技术低劣等局限性。（2）环境情况的分析 主要指的是产品在使用状态下所处的环境条件，如载荷状态、大小、方向的变化。温度，湿度，尘埃，是否存在腐蚀介质等。（3）设备情况的分析 主要指的是材料的选择，结构设计，加工制信水平及安装、运输保护措施等。（4）管理情况的分析 如缺
7、乏适当的作业程序，保护措施不健全，辅助工作太差，使用的工具、设施不当，没有按规定的作业程序操作，缺乏严格的维修保养制度等。二）系统工程的分析思路及方法失效系统工程是把复杂的设备或系统和人的因素当作一个统一体，运用数学方法和计算机等现代化工具，来研究设备或系统失效的原因与结果之间的逻辑联系，并计算出设备或系统失效与部件之间的定量关系。失效系统工程分析法主要类型：（1）故障树分析法（简称FTA法）（2）特征因素图分析法（3）事件时序树分析法（简称 ETA法）（4）故障率预测法（5）失效模式及后果分析法（简称FMEA法）（6）模糊数学分析法三）数理统计分析思路及方法相关性：二、失效分析的一般程序 机
8、械零件失效的情况是千变万化的，分析的目的和要求也不尽相同，因而很难规度一个统一的分析程序。一般说来，大体上包括：1）调查失效事件的现场，2）收集背景材料，3）深入研究分析，4）综合归纳所有信息并提出初步结论，5）重现性试验或证明试验，6）确定失效原因并提出建议措施，7）写出分析报告等内容。 三、失效分析的步骤 l、现场调查（1）保护现场（2）查明事故发生的时间、地点及失效过程（3）收集残骸碎片，标出相对位置，保护好断口。（4）选取进一步分析的试样，。（5）询问且击者及其他有关人员能提供的有关情况。（6）写出现场调查报告。 2、收集背景材料（1）设备的自然情况 （2）设备的运行记录（3）设备的维
9、修历史情况（4）设备的失效历史情况（5）设计图纸及说明书，装配程序说明书，使用维护说明书（6）材料选择及其依据（7）设备主要零部件的生产流程（8）质量检验报告及有关的规范和标准 3、技术参量复验（1）材料的化学成分（2）材料的金相组织及硬度（3）常规力学性能（4）主要零部件的几何参量及装配间隙4、深入分析研究（1）失效产品的直观检查（变形。损伤情况，裂纹扩展，断裂源）（2）断口的宏观分析及微观形貌分析（多用扫描电镜）（3）无损探伤检查（涡流、着色、磁粉、同位素、X射线、超声波等）（4）表面及界面成分分析（俄歇能谱）（5）局部或微区成分分析（辉光光谱、能谱、电子探针）（6）相结构分析（X射线衍射
10、法）（7）断裂韧性检查，强度、韧性及刚度校核5、综合分析归纳，推理判断提出初步结论根据失效现场获得的信息、背景材料及各种实测数据，运用材料学、机械学、管理学及统计学等方面的知识，进行综合归纳、推理判断、分析后，初步确定失效模式并提出失效原因的初步意见和预防措施。6重现性试验或证明试验重大事件：7撰写失效分析报告失效分析报告与科学研究报告相比较，除了在应写得条理清晰、简明扼要、合乎逻辑方面相同外，二者在格式和侧重点等许多方面都有所不同。失效分析侧重于失效增况的调查、取证和验证，在此基础上通过综合归纳得出结论、而不着重探讨失效机理，这就有别于断裂机理的研究报告。机械产品的失效分析报告通常应包括的内
11、容（1）概述 首先介绍失效事件的自然情况：事件发生的时间、地点，失效造成的经济损失及人员伤亡情况；受何部门或单位的委拓；分析的目的及要求；参加分析人员情况；起止时间等。（2）失效事件的调查结果 简明扼要地介绍失效部件的损坏情况。当时的环境条件及工况条件；当事人和目击者对失效事件的看法，失效部件的服役史、制造史及有关的技术要求和标准。（3）分析结果 为了寻找失效原因，采用何种方法和手段做了哪些分析工作、有何发现，按照认识的自然过程一步步地介绍清楚。对于断裂件的分析，断口的宏观和微观分析、材料的选择及冶金质量情况分析，力学性能及硬度的复检、制造工艺及服役条件的评价等分析内容通常是不可缺少的。（4）
12、问题讨论 必要时，对分析工作中出现的异常情况、观点上的分歧、失效机理的看法等问题进行进一步的分析讨论。（5）结论与建议 结论要准确，建议要具体、切实可行。写明遗留的问题、尚需进一步观察和验证的问题等。四、国际上比较公认的分析程序材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下： （一）失效情况的描述 以技术文件的形式记述失效的历史情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有
13、关的照片资料和多媒体资料。 （二）裸眼观察 失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。（三）机械设计分析（应力分析） 当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。 （四）化学成分设计分析 据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。 （五）制造过程及其各工艺环节分析 错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。（六）宏观断口形貌检查 在
14、裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。 （实验二） （七）微观断口分析 包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。 （实验三） （八）金相检验 金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。 （实验一） （九）性能检验 性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试验来推断其力学性能，如屈服强度等。 （实验
15、三） （十）失效分析 模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。 五、金相分析技术的应用1、根据金相分析结果可以判断热处理生产工艺及其组织缺陷2、根据金相显微组织照片可以知道构件的破坏原因六、金相分析用设备1、光学显微镜观察在铸造、固溶态试样及挤压样品的中心部位截取金相试样，热压缩试样的金相试样沿平行于压缩方向截取，试样尺寸约为151515mm。将截取的试样在国产M-2型金相试样预磨机上经粗磨、精磨至、抛光至精抛光，达到样品表面无划痕、污迹、拖尾的镜面，将制备好的镜面试样侵蚀于4HNO3C2H5OH溶液（此为镁合金，
16、不同的材料，其腐蚀剂不同）中，在POLYVAR MET型金相显微镜下观察在不同状态下合金的组织。2、扫描电子显微镜观察铸态、固溶态、挤压态合金的第二相的形态及其在基体中的分布通过Sirion 200场发射扫描电镜上进行观察，对合金相的组成进行能谱(EDX)分析，并观察拉伸试样的断口形貌。3、透射电镜观察 用水磨砂纸和金相砂纸对铸态、固溶态、挤压态合金的透射电镜试样进行机械减薄到70m左右，再分别冲裁成直径为3mm的圆片用于离子减薄，离子减薄在Gantan691型离子减薄仪上进行，其减薄时的工作条件为：轰击电压为45kV，电流为0.3-0.4mA，入射角为6-8。在TECNAI G220型透射电
17、镜上进行观察分析，加速电压为200kV。通过透射电镜主要观察合金晶粒形态、晶内及晶界处位错组态、亚晶、亚晶内位错、位错密度，合金第二相形态及其分布等等。七、案例分析1、钢铁合金1）相图 139414951538Fe2）灰铸铁缸体断裂失效分析3）灰铸铁轮毂的失效分析2、铝合金1）相图2）低压铸造铝合金轮毂内部缺陷探讨3）高强度高耐磨性铝硅合金的实验研究3、镁合金1）相图 2）金相图片分析思考题：1、说明金相分析法在材料失效分析中的意义。2、分析低碳钢（20）、中碳钢（45）、高碳钢（T10）的平衡组织结构，分析其对合金性能的影响。3、以铝硅合金为例，从成分、组织和性能的关系出发，分析如何提高铝合
18、金的强度？实验二 零件失效的宏观分析法（2学时） 宏观分析主要用于分析断口形貌。断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。【1】实验的目的和要求1）目的通过宏观分析法，让学生了解宏观分析法在材料失效分析中的重要作用。了解各种失效产品在进行分析时其宏观特征。2）要求要求学生在熟悉和巩固各种材料如钢、铁、铝、镁等合金的制备工艺特点的基础上，结合具体失效产品，分析其
19、宏观特征。【2】实验内容或原理轴、齿轮的失效分析。腐蚀构件的失效分析。磨损件的失效分析。可用于实例分析的构件有：柴油机曲轴断裂分析、扭力轴断裂分析、工、模具断裂分析、旋转弯曲曲轴件断裂分析、齿轮类零件失效分析、铸铁件开裂分析、铝合金/镁合金零件断裂分析、环境致脆断裂件分析、腐蚀、磨损件分析等。一、分析方法材料失效的类型多种多样，所以，进行失效分析的思路和方法也不一样。以金属件为例，国际上比较公认的分析步骤和顺序是美国的Brooks失效分析程序和ASM失效分析程序。这两套分析程序实质上是相同的，可以相互替代。Brooks失效分析程序说明如下： （一）失效情况的描述 以技术文件的形式记述失效的历史
20、情况。如失效的特征过程、失效件的原设计要求以及失效件的使用情况和环境。特别是有关的照片资料和多媒体资料。 （二）裸眼观察 失效件失效后的总体形貌应记入上述文件，而且必须进行断口表面或其他重要的失效特征的保护，不得造成损害。（三）机械设计分析（应力分析） 当失效件是重要的承重构件时，应进行强度分析（应力分析），正确评估其承载能力或其他力学性能。这有助于确定失效件是否具有足够的尺寸和合适的形状，以满足设计要求，从而可能找出失效的原因。 （四）化学成分设计分析 据此可考察材料的力学性能、工艺性能和抗腐蚀性能。 （五）制造过程及其各工艺环节分析 错误的加工工艺过程往往是导致失效的主要原因，如不合格的原
21、材料、各种热加工工艺的错误和机加工、磨削的错误等等。（六）宏观断口形貌检查 在裸眼和低倍放大下检查断口表面时，往往可以发现明显的形貌特征，可按照断裂特征和载荷性质之间的关系来推断断裂的模式。 （七）微观断口分析 包括断口显微形貌（断口组织）试验和局部化学成分试验，以此确定断裂机理。通常都是采用电子显微镜分析。 （八）金相检验 金相试样的制备需在失效件上切片，这可能要求有关各方在切片前取得一致。金相检验材料的显微组织，有助于确认热处理的质量情况，为失效原因提供证据。 （九）性能检验 性能检验是与设计所对应的性能试验，这种确定性能的试验通常是破坏性试验。在不允许对失效件做破坏性取样时，可以用硬度试
22、验来推断其力学性能，如屈服强度等。 （十）失效分析 模拟失效原因，制作与失效件相同的构件，使之在设计要求的真实工况下运行。这是非常昂贵但却可信的试验，只有在特殊需要下才做。二、宏观分析方法根据机械工程材料测试手册，按国家标准钢材断口检验方法和碳素钢和低合金钢断口检验方法规定,已经纳入上述标准的断口有:(1)纤维状断口,(2)瓷状断口,(3)结晶状断口,(4)台状断口.一） 断口处理及断口分析的任务断口分析，是用肉眼、低倍放大镜、实体显微镜、电子显微镜、电子探针、俄歇电子能谱、离子探针质谱等仪器设备，对断口表面进行观察及分析，以便找出断裂的形貌特征、成分特点及相结构等与致断因素的内在联系。断口分
23、析包括宏观分析和微观分析两个方面。宏观分析主要用于分析断口形貌。微观分析，既包括微观形貌分析又包括断口产物分析（如产物的化学成分、相结构及其分布等）。在对断口进行分析以前必须妥善地保护好断口并进行必要的处理。断裂的基本分类1） 延性断裂与脆性断裂断裂前如有宏观塑性变形延性断裂断裂前如无宏观塑性变形脆性断裂2） 穿晶断裂与沿晶断裂裂纹扩展是穿过晶粒内部的穿晶断裂裂纹扩展是沿着晶粒晶界的沿晶断裂穿晶断裂可分： 脆性断裂穿过晶粒，沿晶体的解理面裂开，无塑性变形 延性断裂穿过晶粒，晶粒本身有明显塑性变形1、断口的处理（1）在干燥大气中断裂的新鲜断口 防止锈蚀，防止手指污染断口及损伤断口表面；（2）对于
24、断后被油污染的断口，要进行仔细清洗。（3）在潮湿大气中锈蚀的断口。（4）在腐蚀环境中断裂的断口，在断口表面通常覆盖一层腐蚀产物，这层腐蚀产物对分析致断原因往往非常重要。 腐蚀产物的去除方法有化学法、电化学法及干剥法等。2、断口分析的任务（l）确定断裂的宏观性质。塑性断裂/脆住断裂/疲劳断裂等。（2）确定断口的宏观形貌。纤维状断口/结晶状断口；有无放射线花样及有无剪切唇等；（3）查找裂纹源区的位置及数量。裂纹源区的所在位置是在表面、次表面还是在内部，裂纹源区是单个还是多个，在存在多个裂草源区的情况下，它们产生的先后顺序是怎样的等；（4）确定断口的形成过程。裂纹是从何处产生的，裂纹向何处扩展，扩展
25、的速度如何等；（5）确定断裂的微观机制。解理型/准解理型/微孔型，沿晶型/穿晶型等；（6）确定断口表面产物的性质。断口上有无腐蚀产物或其他产物，何种产物，该产物是否参与了断裂过程等。二）断口的宏观分析方法断口的宏观分析是断裂件失效分析的基础。断口的宏观分析，能够了解断裂的全过程，因而有助于确定断裂过程和构件几何结构间的关系，并有助于确定断裂过程和断裂应力（正应力及切应力）间的关系。断口的宏观分析，可以直接确定断裂的宏观表现及其性质，即宏观脆断还是韧断，并可确定断裂源区的位置、数量及裂纹扩展方向等。生产中的产品检验的目的主要是：1）利用断口来检查铸铁件的白口情况，用于确定铸件的浇注工艺；2）用断
26、口法检查渗碳件渗层的厚度，以便确定渗碳件的出炉时间；3）用断口法检查高频淬火件的淬硬层厚度，以便确定合理的感应器设计及淬火工艺；4）用断口法确定高速钢的淬火质量；5）用断口法检查铸锭及铸件的冶金质量（如有无疏松、来杂、气孔、折迭、分层、白点及氧化膜等）。 1、最初断裂件的判断分析对象是一个复杂的大型机组或是一组同类零件中的多个发生断裂。（1）整机残骸的失效分析整机残骸的分析通常称为残骸的顺序分析。即根据残骸上的碰伤、划痕及其破坏特征分析整机破坏的先后顺序，由大部件到小部件，再到单个零件，进而对最初断裂件的断口作具体分析。（2）多个同类零件损坏的失效分析一组同类零件的几个或全部发生损坏时，要判明
27、事故原因需确定哪一个件先坏，这类分析也应采用顺序分析法。在对多个同类零件的损坏情况下，要根据损坏件的变形及损伤的严重程度来确定最初破断件。（3）同一个零件上相同部位的多处发生破断时的分析在同一个零件上，在其几何结构及受力情况完全相同的几个部位均出现损坏的情况。必须首先搞清楚是哪个部位首先损坏。2、 主断面（主裂纹）的宏观判断最初断裂件找到后，紧接着的任务就是确定该断裂件的主断面或主裂纹。所谓主断面就是最先开裂的断裂面。主断面上的变形程度、形貌特点，特别是断裂源区的分析，是整个断裂事故分析中最重要的环节。1）利用碎片拼凑法确定主断面2）按照“T”型汇合法确定主断面或主裂纹 3）按照裂纹的河流花样
28、确定主裂纹 碎片拼凑法确定主断面 “T”型汇合法确定主断面或主裂纹 裂纹的河流花样确定主裂纹 3、 断裂（裂纹）源区的宏观判断主断面（主裂纹）确定后，断裂分析的进一步工作是寻找裂纹源区。裂纹源区是断裂破坏的宏观开始部位。寻找裂纹源区不仅是断裂宏观分析中最核心的任务，而且是光学显微分析和电子显微分析的基础。 1）利用断口上的“三要素”特征确定裂纹源区 2）利用断口上的“人”字纹特征确定裂纹源区 3）根据断口上的放射花样确定裂纹源区 4）根据断口上的“贝纹”线确定裂纹源区 5）将断开的零件的两部分相匹配，则裂缝的最宽处为裂纹源6）根据断口上的色彩程度确定裂纹源区 氧化色 4、宏观断口的表观现象与致
29、断原因初判 1）断裂源区和零件几何结构间的关系断裂源区可能发生在零件的表面、次表面或内部。对于塑性材料的光滑试件（零件），在单向拉伸状态下，断裂源在截面的中心部位属于正常情况。为防止零件出现此种断裂，应提高材料的强度水平或加大零件的几何尺寸。表面硬化件发生断裂时，断裂源可能发生在次表层，为防止此类零件的断裂，应加大硬化层的深度或提高零件的心部硬度。除上述两种情况外，断裂源区一般发生在零件的表面。零件的尖角、凸台、缺口、刮伤及较深的加工刀痕等应力集中处。为防止此类破坏显然应从减小应力集中方面入手。2）断裂源区与零件最大应力截面位置的关系断裂源区的位置一般应与最大应力所在平面相对应。如果不一致则表
30、明零件的几何结构存在某种缺陷或工作载荷发生了变化，但更为常见的情况是材料的组织状态不正常（如材料的各向异性现象严重）或存在着较严重的缺陷（如铸造缺陷、焊接裂纹、锻造折迭）等情况。例如，承受单向扭转工作载荷的轴件，其断口的宏观形貌，按其与最大应力之关系可能有以下几种情况： （a）断口表面与最大正应力所在平面相对应，即断口与轴线呈45螺旋状。此种类型的断裂为宏观脆性断裂，通常是由材料的脆性过大或韧塑性不足引起的。通过改变零件的热处理工艺，适当提高回火温度则有助于减少零件的此类断裂。（b）断口的表面与最大切应力所在平面相对应，即断口平面与轴线垂直或平行。此种类型的断裂为宏观韧性的断裂，通常是由材料的
31、强度或硬度不足引起的。适当降低零件的回火温度，则有助于零件使用性能的改善。上述两种情况均表示材料的组织均匀性未出现太大问题。在此种情况下，如果调整热处理工艺难以避免上述两种断裂，则应提高材料的强韧性级别或者适当加大零件的几何尺寸。（c）断口表面与轴线的夹角远小于45 ，即断口表面既不和最大正应力所在平面相对应也不和最大切应力所在平面相对应。换句话说，该断裂面是在较小的应力条件下形成的。由此可以推知，材料的各向异性现象比较严重，横向性能比较差。通常是由材料中的塑性夹杂物比较多及锻造流线沿轴向分布显著等因素引起的。 3）断裂是从一个部位产生的还是从几个部位产生的，是从局部部位产生的还是从很大范围内
32、产生的。通常的情况是，应力数值较小或应力状态较柔时易从一处产生，应力数值较大或应力状态较硬时易从多处产生；由材料中的缺陷及局部应力集中引起的断裂，裂纹多从局部产生；存在大尺寸的几何结构缺陷引起的应力集中时，裂纹易从大范围内产生。承受旋转弯曲的轴件可能产生以下几种类型的断裂：（a）裂纹源于表面一处或两处（基本对称，但稍有偏转）这是最为常见的断裂形式。其产生原因是由于表面拉应力最大及表面存在一定的加工缺陷或材料缺陷所致。在无明显缺陷存在的情况下，正常的断裂（由材料性质及轴件的几何尺寸和载荷性质来决定）也呈此种断裂形式；（b）裂纹源于次表面某处。次表面的拉应力小于表面，其所以成为起裂点，必然存在有较
33、大的缺陷；（c）裂纹源于整个表面向内扩展导致的断裂。其断裂原因一般是由于轴件存在有变截面且其应力集中现象严重所致，如此处为直角过渡的情况。 4）断口表面的粗糙度断口表面的粗糙度在很大程度上可以反映断裂的微观机制并有助于断裂性质及致断原因的判断。如粗糙的纤维状多为微孔聚集型的断裂机制，且孔坑粗大，塑变现象严重；瓷状断口多为准解理或脆性的微孔断裂，塑变现象极小，孔坑小、浅、数量极多；粗、细晶粒状为沿晶断裂；镜面反光现象明显的结晶状断口为解理断裂；表面较平整多为穿晶断裂，凹凸不平多为沿晶断裂等。 5）断口的边缘情况观察断口的边缘有无台阶、毛刺、剪切唇和宏观塑性变形等，将有助于分析裂纹源区的位置、裂纹
34、扩展方向及断裂的性质等问题。因为随着裂纹的扩展，零件的有效面积不断减小，使实际载荷不断增加。对于塑性材料来说，随着裂纹的扩展，裂纹两侧的塑性变形不断加大，依此即可确定裂纹的扩展方向。例如，一裂纹顺着一排铆钉孔扩展，最先扩展的裂纹孔基本不变形是圆形的，而后的裂纹孔将依次加大变形成为非圆形的孔，裂纹的扩展方向则是由圆孔指向非圆孔。在断口的表面没有其它特殊花样存在的情况下，利用断口边缘的情况往往是判断裂纹源区及裂纹扩展方向的唯一的和可靠的方法。6）断口上的冶金缺陷注意观察断口上有无夹杂、分层、粗大晶粒、疏松、缩孔等缺陷。有时依此可以直接确定断裂原因。三、宏观断口实例分析1、铸铁件1）HT2502）2
35、0CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂 3）30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂 2、铸铝件（ZL105） 思考题：1、描述HT250合金铸件的的宏观特征，分析其失效原因。2、描述20CrMnTi伞齿轮淬火后校直时断裂的宏观特征，分析其失效原因。3、描述30钢玻璃机道轨渗碳盐浴淬火断裂的宏观特征，分析其失效原因。4、描述汽车叶轮铸铝件（ZL105）的宏观特征，分析其失效原因。实验三 静载荷作用下的金属材料断裂失效断口分析（2学时）通过断口分析，可以判断断裂失效的裂纹起源与裂纹扩张的途径，判断断裂的性质，反反推断裂载荷的类型和大小、
36、材料的性质、大致的环境，推断失效的原因是：设计的原因；材质的原因；工艺的原因和环境的原因等。通过实例来说明断口分析的应用，以体现不同的断裂类型具有不同有形貌特征。【1】实验的目的和要求1）目的通过断口分析法，让学生了解静载荷作用下的金属材料断裂时韧性断口和脆性断口的特征。2）要求要求学生在熟悉和巩固韧性和脆性材料的应力-应变特点，熟悉相关检测设备的工作原理，通过实验，判断失效零件的宏观和微观特征。【2】实验内容或原理拉伸断口形貌观察。三要素；断口宏/微观形貌及其特征；裂源及裂纹扩展方向。通过实际失效件及其断口的宏观分析，掌握最初断裂件的判断、主裂纹（主断面）的判断方法。一、基本理论一）断口三要
37、素的内容与特点光滑园柱形试样的拉伸变形过程：均匀变形缩颈断裂（杯锥状断口）三要素：纤维状区（fibrous zone）;放射状区（radial zone）;剪切唇区（shear lip）纤维区：位于断口中央，与外加应力垂直，呈粗糙的纤维状园环形花样； 暗灰色，常可观察到显微空洞和锯齿状； 其底部晶粒被拉长象纤维一样，为裂纹萌生区放射区：具有放射花样特征（脆断特征） 放射线的发散或收敛方向为裂纹扩展方向 纤维区与放射区交界线标志着裂纹由稳定 扩展向快速扩展（失稳扩展的转化）剪切唇：表面较光滑，与拉应力方向呈45 切断区域，有金属光泽，呈灰色鹅毛状二）断口三要素的分布类型F、R、SF、S160光滑
38、园柱拉伸试样断口R、S低合金钢在160条件拉伸或冲击断口S纯剪切型断口或薄板拉伸断口三）影响因素1、试验温度 T ， F S R2、试样尺寸 t，F S R3、试样形状四）断口三要素的应用根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向裂纹源的确定：利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维区的位置就找到了裂源的位置；利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置；根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。裂纹扩展方向的确定：纤维区指向剪切唇放射条纹的发散方向板状样呈现人字纹（chevron pattern） 其反方向为
39、 源扩展方向五）断裂过程裂纹形成裂纹扩展：亚稳扩展（亚临界扩展阶段） 失稳扩展裂纹扩展两阶段：亚稳扩展：裂纹自形成而扩展至临界长度的过程特点：扩展速度慢，停止加载，裂纹停止扩展 裂纹总是沿需要消耗扩展功最小的路径，条 件不同，亚稳扩展方式、路径、速度也各不相同失稳扩展：裂纹自临界长度扩展至断裂特点：速度快，最大可达声速； 扩展功小，消耗的能量小； 危害性大，总是脆断二、材料的拉伸实验拉伸试验是检验金属材料力学性能普遍采用的一种极为重要的基本试验。金属的力学性能可用强度极限b、屈服极限s、延伸率、断面收缩率和冲击韧度k五个指标来表示。它是机构设计的主要依据。在机构制造和建筑工程等许多领域，有许多
40、机械零件或建筑构件是处于受拉状态，为了保证构件能够正常工作，必须使材料具有足够的抗泣强度，这就需要测定材料的性能指标是否符台要求，其测定方法就是对材料进行拉伸试验，因此，金属材料的拉伸试验及测得的性能指标，是研究金属材料各种使用条件下，确定其工作可靠性的主要工具之一，是发展新金属材料不可缺少的重要手段，所以拉伸试验是测定材料力学性能的一个基本试验。1）观察碳钢、铸铁在拉抻过程中的各种现象，绘制拉伸图(PL图)由此了解试件变形过程中变形随荷载变化规律，以及有关的一些物理现象。 2）观察断口，比较低碳锕和铸铁两种材料的拉伸性能。 1、试验设备仪器及量具 2、试件 金属材料拉伸试验常用圆形试件。为了
41、使实验测得数据可以互相比较，试件形状尺寸必须按国家桶准的规定制造成标准试件。如因材料尺寸限制等特殊情况下能做成标 准试件时，应按规定做成比例试件。圆形截面标准试件和比例试件的国标规定。对于板材可制成矩形截面。园形试件标距L。和直径之比，长试件为Lodo10， 材料的机械性能指标s、b、是由拉伸破坏实验来确定的，实验时万能材料试验机自动给出载荷与变形关系的拉伸图(PL图)如图2所示，观察试样和拉伸图可以看到下列变形过程。 1、弹性阶段 OA 2、屈服阶段 BC 3、强化阶段 CD 4、颈缩阶段 DE 由实验可知弹性阶段卸荷后，试样变形立即消失，这种变形是弹性变形。当负荷增加到一定值时，测力度盘的
42、指针停止转动或来回摆动，拉伸图上出现了锯齿平台，即荷载不增加的情况下，试样继续伸长，材料处在屈服阶段。此吁可记录下屈服点Ps。当屈服到一定程度后，材料又重新具有了抵抗变形的能力，材料处在强化阶段。此阶段：强化后的材料就产生了残余应变，卸载后再重新加载，具有和原材料不同的性质，材料的强度提高了。但是断裂后的残余变形比原来降低了。这种常温下经塑性变形后，材料强度提高，塑性降低的现象称为冷作硬化。当荷载达到最大值Pb后，试样的某一部位截面开始急剧缩小致使载荷下降。至到断裂，这一阶段叫颈缩阶段。 实验中可测得： Ps一屈服荷重。 Pb 最大荷重。L1 一断后标距部分长度。 A1 一断后最细部分截面积。
43、由此可计算 屈服极限：APSs= 强度极限：APbb= 延伸率：%1001=LLL 截面收缩率：%1001=AAA 其中A、L均为拉伸前试件的截面面积及标距。 3、碳钢的拉伸步骤 1）试件的准备，试件中段取标距L=50mm，在标距两端刻线（或冲眼）做为标志。用游标卡尺在试件标距范围内，测量中间和两端三处直径d0。取最小值作为计算截面面积用。 2）试验机的准备（液压万能试验机构造原理参看附录一）：首先学习试验机操作规程。估计低碳钢b，计算打断试件所需的最大荷载。根据最大荷载选定试验机测力表盘和锤锤A、B、C、并调节缓冲手柄到相应的位置。按需要放大倍数调节好自动绘图器，装上绘图纸，以备画出PL曲线
44、。装好试件，调整指针对准零点。 3）检查试车：由教师检查以上准备情况，开动试验机，加少量荷载（勿使超过比例极限）检查试验机，绘图机构工作是否正常。然后卸载（可保留少量荷载），视情况指针调零。 4）进行试验：慢速加载。使试验机指针缓慢均匀的转动。自动绘图装置可绘出试件受力和变形的关系图，如图1。观察测力盘指针转动情况，当指针不动或摆动，倒退时，说明材料发生流动（屈服）测力指针倒退的最小值。即为流动荷载Ps，如图BC段，试验者应记录下此值，以备计算屈服点应力值s 流动阶段结束，试件可以继续承受更大的外力和发生变形，称为强化阶段如图C至D段。D段所对应的荷载即试件能承担的最大荷载Pb，试验者记录好P
45、b，值以备计算。当荷载达到Pb之后，试件开始颈缩，测力指针开始回转，表明试件承载能力减少，到E点断裂。 5）试验结束关闭试验机，取下试件和图纸，打开试验机回油阀，使试验机回到原位。 6）测量试件：将断裂试件紧对在一起，测量端口处直径d1,在断口两个互相垂直方1/3处区段内。可直接量取；若不在此区，按国家标准采用断口移中办法，计算L1的长度。 4、铸铁拉伸试验步骤 1）试件的准备：测量试件中间和两端之处直径d，取最小值计算截面积。2）试验机准备：估计铸铁b值，估算拉断试件最大荷载。试验机调整与低碳钢拉伸试验相同。 3）检查及试车：与碳钢拉伸试验相同。 4）进行试验：开动好试验机。用慢速加载直到试件断裂，记录最大荷载Pb值。观察自动绘图器上的曲线。 5）试验结束：关闭试验机，取下试件，使试验机回原位。 6）测量试件：测量断裂后试件的直径和长度。 7）计算铸铁拉伸强度极限： 5、结束工作 1）清理并复原试验机、工具和现场。2）描下拉伸曲线，按要求填写试验报告，整理数