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常见失效形式以及特征和诊断腐蚀疲劳断裂等培训课件

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零件失效分析4金属构件常见失效形式及其判断PPT课件

零件失效分析4金属构件常见失效形式及其判断PPT课件
1. 蠕变极限：为保证在高温和长期载荷作用的机件不 致产生过量变形而失效。
2. 持久强度极限－断裂抗力指标
第11页/共149页
➢ 熔点高，晶体结构紧密 ➢ 形成固溶体，含有弥散相的合金 ➢ 改进冶金质量 ➢ 高温下，粗晶粒有较高的塑变抗力和持久强度 ➢ 采用定向凝固技术获得粗大柱状晶
第12页/共149页
• 冷却器管的失效原因为氯化物应力腐蚀开裂
第39页/共149页
应力腐蚀开裂的条件及其影响因素
基本条件：弱的腐蚀介质、不大的拉应力、特定的腐蚀系统 共同特征：
✓ 每一种金属或合金，只有在特定的介质中才能发生 应力腐蚀；
✓ 应力（尤其是拉应力）是产生应力腐蚀的必要条件； ✓ 应力腐蚀是一种与时间有关的延迟断裂； ✓ 特定的材料在特定的腐蚀环境下有确定的KISCC； ✓ 应力腐蚀裂纹的扩展速率一般为10-6~10-3mm/min； ✓ 应力腐蚀是一种低应力脆性断裂，断口齐平；
应力松弛变形失效：在总变形不变的条件下，构件弹 性变形不断转为塑性变形从而使 应力不断降低的过程。
松弛稳定性：一定温度下，经规定时间后的剩余应力。
第13页/共149页
结构上补偿胀缩方法举例
第14页/共149页
断裂失效
静载荷作用下的断裂失效分析
➢ 过载断裂失效分析 ➢ 材料致脆断裂失效分析 ➢ 环境致脆断裂失效分析 ➢ 混合断裂失效分析
314
Kg/mm2
18-8 20
）
10
1
35
10
30 50 100
300
500 1000
开裂时间（小时）
各种Cr-Ni奥氏体不锈钢在沸腾的45%MgCl2溶液中 的应力-断裂时间曲线
第44页/共149页

常见失效形式及特征和诊断 共241页PPT资料

常见失效形式及特征和诊断 共241页PPT资料
4.Griffith公式适用于陶瓷、玻璃这类脆性 材料。
失效分析
材料的韧性与断裂设计
三、裂纹扩展的能量判据 断裂过程
裂纹形成（萌生）阶段 裂纹扩展阶段 裂纹萌生：材料在外力作用下，形成微裂纹或以
内部缺陷作为裂纹源。 裂纹扩展：微裂纹或裂纹源逐渐扩展至一临界尺
寸时，立即发生断裂。前者段称裂纹亚稳扩展 阶段，后者称裂纹失稳扩展阶段。
失效分析
材料的韧性与断裂设计
一、断裂力学概述
断裂力学：线弹性断裂力学（脆性断裂）和弹塑 性断裂力学（韧性断裂）。
线弹性断裂力学分析脆性材料裂纹尖端应力应变 场时，基于线弹性的假设模型，认为裂纹尖端虽 然会出现塑性区，但因塑性区体积很小，其尺寸 与裂纹尺寸相比可忽略其影响。但工程构件大多 数采用韧性好的塑性材料，只有在低温及较大构 件截面积时可增加脆性，才可直接用线弹性断裂 力学分析。
较少单独出现，往往是其他失效形式如磨 损、接触疲劳失效的诱因。
失效分析
3.2.4防止和改进措施 降低实际应力
降低工作应力：减小零件有效截面积和工作载 荷
减少残余应力：工艺因素 降低应力集中
提高材料屈服强度
失效分析
材料的韧性与断裂设计
断裂力学和断裂力学理论在失效分析中的应用 低温脆性和低应力脆断
第三章 常见失 效形式及特征和诊 断
2010.11.02
主要内容
过量弹性变形失效 屈服失效 塑性断裂失效 脆性断裂失效 疲劳断裂失效
失效分析
主要内容
腐蚀失效、应力腐蚀失效 氢脆失效 腐蚀疲劳失效 磨损失效 蠕变失效
失效分析
3.1过量弹性变形失效
3.1.1概述 弹性变形
零件受机械应力或热应力作用产生弹性变形

机械零件的失效形式

机械零件的失效形式

抗力指标：比例极限、弹性极限和屈服极限
零构件发生过弹性变形的原因：刚度不足
抗力指标：弹性模量E或者切变模量G
强 调！ 金属和合金的弹性模量不能通过合金化和热处理、冷变形等方法改变。
总 结
强度和塑性指标：屈服强度和塑性用于一般零件的抗断裂设计。
本节中所讲的材料的力学性能指标及应用
弹性指标：弹性极限和弹性模量是设计弹性零件考虑的性能指标。如汽车板簧和各类弹簧等
一、基本概念
01
02
03
04
05
静载荷和冲击载荷
断裂：材料在外力作用下分为两个或者两个以上部分的现象。
断裂的分类：韧性断裂和脆性断裂
断裂过程：裂纹萌生和裂纹扩展
韧性：表示材料在塑性变形和断裂过程中吸收能量的能力。
韧性断裂和脆性断裂的断口微观形貌 韧性断口 脆性断口
二、冲击韧性及衡量指标
STEP5
第六节 零件在高温下的蠕变变形和 断裂失效
问 题 金属材料在高温下的力学行为有哪些特点？ 什么是蠕变？ 评价金属材料高温力学性能指标有哪些？ 高温下零件的失效方式有哪些？如何防止？
一、材料在高温下的力学行为
二、评价材料高温力学性能指标
蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标成为蠕变极限。 表示方法（1）在规定温度下使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值 ，符号为 材料的强度随温度的升高而降抵。 高温下材料的强度随时间的延长而降抵。 高温下材料的变形量随时间的延长而增加。 蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。
02
03
问 题
第一节 零件在常温静载下的过量变形
一、材料的静载性能指标
01
刚度和强度指标

疲劳断裂失效分析精品PPT课件

疲劳断裂失效分析精品PPT课件
2
3.1 疲劳断裂的基本形式和特征
5、疲劳断裂对腐蚀介质的敏感性
金属材料的疲劳断裂除取决于材料本身的性能 外，还与零件运行的环境条件有着密切的关系。对 材料敏感的环境条件虽然对材料的静强度也有一定 的影响，但其影响程度远不如对材料疲劳强度的影 响来得显著。大量实验数据表明，在腐蚀环境下材 料的疲劳极限较在大气条件下低得多，甚至就没有 所说的疲劳极限。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
大多数的工程金属构件的疲劳失效都是以正断形 式进行的。特别是体心立方金属及其合金以这种形式 破坏的所占比例更大；上述力学条件在试件的内部裂 纹处容易得到满足，但当表面加工比较粗糙或具有较 深的缺口、刀痕、蚀坑、微裂纹等应力集中现象时， 正断疲劳裂纹也易在表面产生。
2
5.1 疲劳断裂的基本形式和特征
1、切断疲劳失效
切断疲劳初始裂纹是由切应力引起的。切应力引 起疲劳初裂纹萌生的力学条件是：切应力／缺口切断 强度≥1；正应力／缺口正断强度＜1。
切断疲劳的特点是：疲劳裂纹起源处的应力应变 场为平面应力状态；初裂纹的所在平面与应力轴约成 45º角，并沿其滑移面扩展。
2
5.2 疲劳断口形貌及其特征
5.2.1 疲劳断口的宏观形貌及其特征
由于疲劳断裂的过程不同于其他断裂，因而形成了疲劳断 裂 特有的断口形貌，这是疲劳断裂分析时的根本依据。
典型的疲劳断口的宏观形貌结构可分为疲劳核心、疲劳源区 、疲劳裂纹的选择发展区、裂纹的快速扩展区及瞬时断裂区等 五个区域。一般疲劳断口在宏观上也可粗略地分为疲劳源区、 疲劳裂纹扩展区和瞬时断裂区三个区域，更粗略地可将其分为 疲劳区和瞬时断裂区两个部分。大多数工程构件的疲劳断裂断 口上一般可观察到三个区域，因此这一划分更有实际意义。

金属材料的断裂和断裂韧性课件

金属材料的断裂和断裂韧性课件

4.4.3 裂纹扩展的能量释放率GI和断裂韧性GIc
➢分析原理：能量法
应变能释放率
扩展 临界
裂纹扩展需要吸 收的能量率
稳定
dU GI dA
裂纹临界条件：G准则
G Ic
dS dA
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金属材料的断裂和断裂韧性课件
K与G的关系
G
Gc Ic
1K E
1 2
E
2 c
K
2 Ic
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金属材料的断裂和断裂韧性课件
断裂力学和断裂韧性
➢ 为防止裂纹体的低应力脆断，不得不对其强度——断裂抗
力进行研究，从而形成了断裂力学这样一个新学科。
➢ 断裂力学的研究内容包括裂纹尖端的应力和应变分析；建
立新的断裂判据；断裂力学参量的计算与实验测定，其中 包括材料的力学性能新指标——断裂韧性及其测定，断裂 机制和提高材料断裂韧性的途径等。
随第二相体积分数的增加，钢的韧性都下降，硫化物比碳化物 的影响要明显得多。
➢ 2 基体的形变强化
基体的形变强化指数越大，则塑性变形后的强化越强烈，其结
* Kepn
果是各处均匀的变形。微孔长大后的聚合，将按正常模式进行， 韧性好；相反地，如果基体的形变强化指数小，则变形容易局
部化，较易出现快速剪切裂开。这种聚合模式韧性低。
断裂前无明显的塑性变形，吸收的能量很少，而裂纹的 扩展速度往往很快，几近音速，故脆性断裂前无明显的 征兆可寻，且断裂是突然发生的，因而往往引起严重的 后果 。
➢ 在工程应用中，一般把Ψk <5％定为脆性断裂， Ψk =5％定
为准脆性断裂， Ψ k >5％定为韧性断裂。
➢ 材料处于脆性状态还是韧状态并不是固定不变的，往往因

模具失效的形式PPT课件

模具失效的形式PPT课件
气蚀磨损和冲蚀磨损都称为侵蚀磨损。它们都可以看 成疲劳磨损的派生形式。因为就本质上来说，都是由于机 械力造成的表面疲劳破坏，但液体的化学和电化学作用加 速了它们的破坏速度。在注塑模具和压铸模具中易出现。
若材料具有较好的抗疲劳性和抗腐蚀性，又有较高的 强度和韧性，材料的抗气蚀磨损和冲蚀磨损性能就好。
工艺上，降低流体对模具表面的冲击速度，避免涡流， 消除产生气蚀的条件，可有效减少气蚀和冲蚀磨损。
模具失效形式及机理
三、粘着磨损 粘着磨损的定义：工件与模具表面相对运动时，由于
表面凹凸不平，粘着的结点发生剪切断裂，使模具表面 的材料转移到工件上或脱落的现象。
要特征是磨损产物多 为片状或小颗粒。
模具失效形式及机理
(一)粘着磨损的机理 模具与工件表面的实际接触面积只有名义上的 0.010.1%，只有少数微观凸起处接触，压力很大，引起塑性 变形，加上表面因摩擦而温度升高，局部金属软化或熔 化，使表层的氧化膜破裂，使新鲜材料暴露，造成工件 与模具材料纯金属接触，分子间互相吸引、渗透、粘着， 使这些突起处联接起来。随着相对运动的进行和接触部 分的温度急剧下降，突起处相当于进行了一次局部淬火， 使粘着部分材料强度增加，形成淬火裂纹，最后造成撕 裂和剥落。图3-5为粘着磨损过程。
模具失效形式及机理
五、气蚀磨损和冲蚀磨损
（二）冲蚀磨损 定义：液体或固体微粒高速落到模具表面，反复冲
击模具表面，使模具表面局部材料流失，形成麻点和凹 坑的现象叫冲蚀磨损。
当小液滴速度特别高，高于100m/s 时，产生的冲击 应力会超过材料的屈服强度，造成局部材料断裂。
模具失效形式及机理
五、气蚀磨损和冲蚀磨损 （三）提高抗气蚀磨损和冲蚀磨损的措施
模具服役时一般都会出现氧化磨损。

常见失效形式及特征和诊断

轴瓦，铝合金，轴，灰铁，接触面有润滑油 转速为300rpm，运行10秒抱死 。
失效分析
磨损外表形貌分析 宏观分析：放大镜观察，实物显微镜观察 微观分析：扫描电子显微镜 磨损亚表层分析 强烈的冷加工变形硬化 金属组织的回火、回复再结晶、相变、非晶态层等 观察裂纹的形成部位，裂纹的增殖、扩展情况及磨损碎 片的产生和剥落过程 磨屑分析 一类磨屑：从磨损失效件的服役系统中回收的和残留在
3.腐蚀程度的表示方法 〔1〕均匀腐蚀的腐蚀程度表征。 ①有重量的变化来评定。 ②有腐蚀深度来表示。 〔2〕局部腐蚀的腐蚀程度表征。裂纹扩展速率或材料性能降低程度来表 示。
1.金属的局部腐蚀 〔1〕点腐蚀。 首先介质的活性阴离子吸附在金属氧化膜的某些点上，对膜产生破坏。 有缺陷的区域和没有缺陷的区域形成局部电池，有缺陷的局部成为活化 的阳极，周围区为阴极区，因阳极面积非常小，电流密度很大，在金属 外表形成腐蚀小孔。随后溶解下来的金属离子水解，使小孔内溶液的酸 度增加，小孔被进一步腐蚀加深。
1.环境因素
设法切断氢进入金属内的途径，或设法延迟在这个环节上的反响速度， 使氢不进入或少进入金属中。如采用外表涂层。
2.力学因素
在机件设计和加工过程中应防止各种产生剩余拉应力的因素。采用外 表处理，使外表获得剩余压应力层，对防止氢脆有良好作用。尽可能 选用氢脆临界场强度因子门槛值高的材料。
3.材料因素
失效分析
磨损失效过程 磨损过程大致可分为以下三个阶段： 1.跑合〔磨合〕磨损阶段 2.稳定磨损阶段 3.剧烈磨损阶段
失效分析
1.腐蚀磨损
两物体外表产生摩擦时，工作环境中的 介质(如液体、气体或者润滑剂等)与材料 外表起化学反响或电化学反响，形成腐 蚀产物，产物粘附不牢，在摩擦过程中 剥落下来，新的外表又继续与介质发生 反响。这种腐蚀和磨损的反复过程称为 腐蚀磨损。

失效分析第一章ppt课件


失效模式是指构件失效后的外观形式，即可观 察的、可测量的失效的宏观特征。比如，脆性断 裂疲劳开裂、接触磨损等。
根据构件失效的宏观特征，失效模式应有五种：
(1) 变形(deformation )
(2) 断裂(fracture)
(3) 腐蚀 (corrosion)
(4) 磨损(wear)
(5) 衰减(attenuation): 微结构随时间、环境等因 素渐变弱化
20钢
Al2O3
橡胶
MMC
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
寒假来临，不少的高中毕业生和大学 在校生 都选择 去打工 。准备 过一个 充实而 有意义 的寒假 。但是 ，目前 社会上 寒假招 工的陷 阱很多
1.3.3失效分析的综合性
产品质量管理一般实行“五要素”法管理： “人、机、料、法、环”
“人、机、料、法、环、测” 但产品的失效分析更复杂，分析人员不仅 需要有材料、工艺、结构、力学、控制、 检验等专业知识，还要懂得安装、维护、 运行、环境等工程知识，同时也要熟悉生 产过程涉及的标准、规范、规程，还包括 心理学等在内的一些管理知识。
1.1.1失效问题每时每刻都在发生，遍及各行 各业
1.1.2失效会造成巨大的经济损失
2006年11月21日发射，2007年11月18日指出，该卫星太阳能帆 寒假来临，不少的高中毕业生和大学在校生都选择去打工。准备过一个充实而有意义的寒假。但是，目前社会上寒假招工的陷阱很多 板无法打开，一直不能正常工作。直接经济损失20亿RMB，间接 损失1000亿元以上。
应该指出：“失效”和“事故”是两个不同的概 念

常见失效形式及特征和诊断PPT共44页


66、节制使快乐增加并使享受加强。 ——德 谟克利 特 67、今天应做的事没有做，明天再早也 是耽误 了。——裴斯 泰洛齐 68、决定一个人的一生，以及整个命运 的，只 是一瞬 之间。 ——歌 德 69、懒人无法享受休息之乐。——拉布 克 70、浪费时间是一桩大罪过。——卢梭

常见失效形式及特征和诊断
11、用道德的示范来造就一个人，显然比用法律来约束他更有价值。—— 希腊
12、法律是无私的，对谁都一视同仁。在每件事上，她都不徇私情。—— 托马斯
13、公正的法律限制不了好的自由，因为好人不会去做法律不允许的事 情。——弗劳德
14、法律是为了保护无辜而制定的。——爱略特 15、像房子一样，法律和法律都是相互依存的。——伯克
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常见失效形式以及特征和诊断腐蚀疲劳
1/16/2021
断裂等
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2、氢蚀：与碳化合，生成CH4 ，产生高压,导致钢的
塑性降低。呈沿晶断裂，在〉200 ℃ 以上出现。通过
减碳加合金（Ti、V）消除。
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断裂等
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3、氢化物致脆：
纯Ti、V、Nb、锆 （Zi）合金
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断裂等
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4、应力腐蚀开裂的形貌
a．宏观形貌及断口特征
呈现脆性断裂的特征 起源于表面膜层的缺陷处，颜色比较深；外 表面及裂缝内壁的腐蚀程度轻,裂纹深而窄。
主裂纹上常大量分叉，并在大致垂直于应力 方向上连续扩展，有强烈的方向性
失稳扩展区没有腐蚀产物覆盖；呈现过载断 裂的特征
常见失效形式以及特征和诊断腐蚀疲劳
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断裂等
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(2)减少或消除零件中的残余拉应力
•设计上尽可能减小零件的应力集中 •工艺上加热冷却均匀，必要时采用退火工 艺消除内应力 •采用喷丸处理或者表面热处理，在零件表 面产生一定的残余压应力。
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断裂等
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常见失效形式以及特征和诊断腐蚀疲劳
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断裂等
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腐蚀断口表面的准解理（韧窝）特征
常见失效形式以及特征和诊断腐蚀疲力腐蚀开裂的措施
（1）合理选材：针对零件所受的应力和使用条件选 用耐应力腐蚀的材料： •在接触氨的环境中避免用铜的合金 •在高浓度氯化物介质，考虑氯对镍的腐蚀。 在选材时，尽可能选用应力腐蚀界限强度因子KISCC高 的材料。
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断裂等
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三、腐蚀疲劳断裂
1、定义：在腐蚀介质和循环应力共同作用下的一种失 效形式。
叠加模型 竞争模型
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断裂等
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2、腐蚀疲劳损伤的特点
a、表面受到腐蚀破坏，断口有较多的二次裂纹、 腐蚀坑和锈斑特征。
c、延迟断裂 速度介于均匀腐蚀速度与快
速机械断裂速度之间。
d、拉应力:包括外加拉应力和残余拉应力
通常存在应力腐蚀断裂的临界应力
e、特定介质：
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断裂等
1
3、应力腐蚀评定方法
恒定应力下的断裂时间tf，或者指定时间内发 生应力腐蚀断裂的最低应力σSCC以及应力腐蚀的 门槛应力。 评定应力腐蚀的断裂力学参量为指定时间内应力 腐蚀的界限应力强度因子KISCC 。
断裂等
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断裂等
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3、提高腐蚀疲劳抗力的措施 a、表面感应淬火，提高表面层的强度。
b、喷丸或表面滚压，造成表面压应力，提 高表面层的强度。
c、表面化学热处理。渗碳、氮化、氰化 以及渗Cr、渗碳化铬，提高腐蚀疲劳抗力。
高浓度自发形成氢化物 应力感生氢化物
4、氢致延滞断裂 （高强钢或α-β Ti合金）
-100~150℃ 慢速加载 显著降低延伸率、断面收缩率 裂纹路径与应力有关
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氢脆的评定
采用氢脆敏感性表示或者da/dt—Kith曲线表示
I 0 100%
0
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3、氢脆失效的类型、特征以及评定
根据氢存在方式以及氢与金属作用方式，氢脆理论包 括：氢压理论、氢化理论、减聚理论
氢脆失效的类型
1、白点：也称为发裂。由于含有过量的氢造成。在
断口上可见银白色椭圆形斑点。在钢的纵向剖面上呈 现发纹状。可以通过精炼除气、锻后缓冷或等温退火 以及加入稀土和微量元素消除。
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（3）改善介质条件
•采用净化方式，减少或消除应力腐蚀开裂的有 害化学离子 •添加缓蚀剂。
（4）采用电化学保护。
（5）在设计中对应力进行控制。
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二、氢脆失效
1 定义：在氢（>0.0001w%）和应力共同作用下使
金属材料的塑性、韧性下降的一种现象。
2、氢的来源：
（1）熔炼过程中，水分和油垢在高温下分解 （2）机加工中（酸洗、电镀）引入。
（3）有氢环境中服役引入。
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3、氢的存在方式：
（1）间隙固溶；
（2）以氢分子扩散聚集在空洞或裂纹处。
（3）和过渡族、稀土金属、碱土金属元素作用， 以氢化物形式存在。
碳钢及低合金钢、铬不锈钢、铝、钛、镍等多为沿 晶的；奥氏体不锈钢则多为穿晶的.
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（2）特征花样：河流花样、扇形花样、羽毛 状花样、鱼骨花样、准解理等
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分别为不含氢和含氢试样的断面收缩率
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4、 防止氢脆的措施
1、环境因素 切断氢进入金属内途径。
表面涂层
加入抑制剂
电镀酸洗后及时去 氢
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断裂等
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2、力学因素
避免产生残余拉应力
3、材料因素
•尽量避免在含氢介质中使用高强度钢 •制定正确工艺，避免出现氢脆敏感性的组织 •细化晶粒，提高抗氢脆能力
b、腐蚀疲劳断口的疲劳条纹，因腐蚀而较模糊。
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断裂等
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c、碳钢和铜合金的腐蚀疲劳断口多为沿晶断 裂，奥氏体不锈钢和镁合金断口为穿晶断裂。
d、腐蚀疲劳电子断口上，经常可观察到腐 蚀坑，泥裂花样以及腐蚀产物。
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断裂等
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波纹管表面腐蚀形态
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b．微观形貌及断口特征
（1）裂纹走向 扩展路径有穿晶的、沿晶的 或二者混合的。
易平面滑移的材料倾向于穿晶断裂；易发生交错 滑移的金属材料更倾向于沿晶断裂。