金属材料失效分析案例PPT

１.磨损失效的基本类型 粘着磨损、磨粒磨损、表面疲劳磨损、冲
刷磨损、腐蚀磨损等五种基本类型。 ２. 磨损失效的基本影响因素 • 摩擦、磨损和润滑，即磨损失效涉及到
摩擦副的材质和磨损工况。
（四）腐蚀失效
• 腐蚀— 是金属暴露于活性介质环境中而 发生的一种表面损耗，是化学和电化学 作用的结果。
• 腐蚀失效有几种基本类型： • １．均匀腐蚀 • ２．点腐蚀 • ３．晶间腐蚀
• 失效模式
– 失效的外在宏观表现和规律。
• 失效机理
– 引起失效的微观的物理、化学变化过程的本质 。
• 失效分类
– 畸变失效 – 断裂失效 – 表面受损失效
表1 零件失效的模式及其 失效机理
失效模式
畸变失效
弹性变形失效 塑性变形失效 翘曲畸变失效
断裂失效
韧性断裂失效 低应力脆性失效 疲劳断裂失效 蠕变断裂失效 介质加速断裂失效
分析相结合；
• ④试验室规律性试验研究与生产试验相结合。
失效分析的程序
•
进行失效分析，对于具体零部件要具体 对待，不能企求有统一的方法。图3是一
般失效分析程序。在整个失效分析过程
中，应重点抓住以下几个环节:
• (1)收集失效件的背景数据
• 除了解失效零部件在机器中的部位和作
用、材料牌号、处理状态等基本情况外
• 机械失效学与许多应用学科、技术有密 切的联系。
• “机械”是失效分析的对象，因此失效分 析与机械学的专门知识有关；
• “材料”是失效的载体，这样失效分析就 自然地涉及材料科学和工程领域的各种 知识；
• “环境”是失效发生的条件，所以失效分 析就与环境科学知识有关；
• “检测“是失效分析中信息的获取的重要途径和 手段，显然失效分析就离不开宏观和微观的检 测有关的知识；

定期检查与维修缺失
未及时发现和修复金属零件的损伤，可能使其在使用过程中发生突 然失效。
其他原因分析
材料缺陷
金属材料本身存在的缺陷，如夹杂物 、偏析等，可能导致其在使用过程中 发生失效。
外力损伤
金属零件在使用过程中受到外力损伤 ，如撞击、挤压等，可能导致其发生 变形或断裂。
04
金属零件失效预防措施
研究展望
• 针对新型金属材料（如高强度轻质合金、非晶合金等）的失效问题，需要深入 研究其失效机制和规律，建立更加完善的失效分析方法。
• 随着无损检测技术的发展，未来可以利用更加先进的检测手段（如超声检测、 X射线检测等）对金属零件进行早期预警和实时监测，提高失效预测的准确性 和及时性。
• 在失效分析过程中，应加强计算机模拟技术的应用，通过建立数值模型和仿真 分析，对金属零件的失效过程进行模拟和预测，为实际应用提供更加可靠的依 据。
目的和意义
通过对金属零件失效的分析，可以找 出失效原因，预防类似失效的再次发 生，提高机械装备的可靠性和安全性 。
同时，失效分析还可以为新材料的开 发和现有材料的改进提供理论依据和 实践指导，促进材料科学的发展。
02
金属零件失效类型
断裂失效
总结词
断裂失效是金属零件最常见的失效形式之一，表现为零件在应力作用下发生的 断裂现象。
磨损和腐蚀失效分析涉及对金 属零件表面形貌、成分、硬度 等方面的检测，以确定磨损和 腐蚀的原因和程度，并提出相 应的防护措施。
某化工设备中的金属管道在使 用过程中发生严重磨损和腐蚀 ，导致介质泄漏。通过失效分 析发现，管道内壁存在介质冲 刷和腐蚀性物质的共同作用， 导致表面损伤。
建议加强管道内壁防腐涂层保 护；同时优化介质输送方式， 减少对管道内壁的冲刷磨损。

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3 分析
(1)断裂叶片的金相组织为正常的回火索氏体，材料化学成分 合格，主要性能指标也基本正常。
(2)叶片断裂部位在倒*形槽根部的横断面上，亦即在应力集 中部位，是裂纹源萌生地，断口具有典型的疲劳断裂特征， 裂纹扩展属穿晶走向。
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(3)叶片根部疲劳断裂与装配质量有关，高压转子叶片安 装时通常要求根部紧配合，但裂断的第+级叶片根部却是 松配合，遂导致叶片在运行过程中产生振动并传至根部， 根部与叶轮槽表面产生摩擦，从而使根部表层晶粒持续滑 移带极易萌生裂纹，即产生疲劳源，随后裂纹不断扩展， 最终造成根部疲劳断裂。
疲劳断裂。
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材料失效分析
班级：XXX 组员：XXX
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案例 漳平电厂1号机叶片断裂失效分析
1、背景
2 检查、试验
2.1宏观检查2Biblioteka 2 断口微观检查2．3化学成分
2．4硬度测试
2．5 冲击试验
2．6 金相检查
3 分析
4 结论
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1、背景 漳平电厂1号机系北京重型电机厂制造的冲动凝汽 式汽轮机，其高压转子第8级叶片材料为2Cr13。1998年4月 大修揭盖后发现该级叶片有一段围带残缺约10cm长，有一 个叶片在根部断裂丢失，部分围带铆钉头有弹起现象。修 复工作由电厂委托北京重型电机厂进行，其修复过程为： 拆除5段围带及43片叶片，更换断裂和受损的2个叶片及损 坏的2段围带，复装后叶片与围带采用焊接固定，并对2段 围带铆钉头弹起的部位进行打磨后焊补，修后机组恢复运 行。2000年5月7日，汽轮机出现异常响声，且振动不断加 剧，揭缸后发现高压转子第8级叶片丢落19个，部分围带脱 落，第9级叶片及8、9、10级部分隔板磨损变形。对照1998 年4月大修记录，发现此次丢落的19个叶片大部分为当时修 复处理过的叶片。由于此次叶片断裂事故对转子损伤较为 严重，故把整个转子送到制造厂修复。为了找出叶片断裂 的原因，我们开展了一系列精的品文失档 效分析工作。

扭转晶界——在亚晶界出产生新的裂纹，河流激增
大角度晶界：河流不能通过，在晶界出产生新的裂纹，向外扩展 ，
形成扇形花样
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大角度晶界，扇形花样
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3、舌状花样
特点：形状象“舌头”，一般在钢铁材料中成组出 现。
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形成机理：
解理裂纹沿着孪晶面｛112｝产生二次解理及局部塑性变 形撕裂的结果。在低温、高速变形时容易发生孪生变形， 也就容易出现舌状花样。
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例1： 1、结晶状脆性断口（过热脆性结晶状断口） 2、产生原因：
①锻造温度过高，使原奥氏体晶粒过分粗大。 ②压下量不足，终锻温度过高，晶粒破碎不够，而再
结晶充分进行并发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗 细不均造成沿晶断裂裂纹所致。 3、正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。
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例2 晶粒过分粗大—细化晶粒处理 晶界弱化——净化晶界 环境介质——改善工作环境 热应力——退火消除
存在确定的位向关系
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准解理裂纹形成机理示意图
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准解理断口形貌
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准解理断口形貌
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第四章 沿晶断裂
1、定义：材料沿晶界（原奥氏体晶界、相界、焊合界面） 发生的断裂。
2、类型：韧性沿晶断裂（沿晶韧断） 脆性沿晶断裂（沿晶脆断）
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3、产生原因
※脆性沉淀相沿晶界析出：钢中的碳化物
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青鱼骨花样、瓦纳线
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§3、影响解理断裂的因素
1、晶体结构 bcc、hcp—易发生解理断裂 fcc——不易发生解理断裂

1.2失效 shī xiào 分析的意义
1、促进科学技术的发展 失效 shī xiào 分析是对事物认识的一个复杂过程,通过多
学科交叉分析,找到失效 shī xiào 的原因,不仅可以防止同样的 失效 shī xiào 再发生,而且能更进一步完善装备构件的功能,并 促进与之相关的各项工作的改进，失效 shī xiào 、认识 失效 shī xiào 分析 、提高、再失效 shī xiào 、再认识、再提高,由此 促进了科学技术的发展， 2、提高装备及其构件的质量
第四页,共305页，
2、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 guīlǜ 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,称为失效分析，
3、失效分析目的 通过对失效件的分析,明确失效类型、找出失效原因,采取改进和预
防措施,防止类似的失效在设计寿命范围内再发生,对装备及其构件在以 后的设计、选材、加工及使用都有指导意义，
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2、引起失效的原因 设计不合理
其中结构或形状不合理,构件存在 cúnzài 缺口、小圆弧转角、不 同形状过渡区等高应力区,未能恰当设计引起的失效比较常见， 总之,设 计中的过载荷、应力集中、结构选择不当、安全系数过小 追求轻巧和 高速度 及配合不合适等都会导致构件及装备失效，构件及装备的设计 要有足够的强度、刚度、稳定性,结构设计要合理，
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•使用操作不当和维修不当 • 使用操作不当是金属装备失效的重要原因之一,如违章操作,超载
chāozài 、超温、超速；缺乏经验、判断错误；无知和训练不够；主观 臆测、责任心不强、粗心大意等都是不安全的行为，某时期统计260次 压力容器和锅炉事故中,操作事故194次,占74.5％，

特点：断裂面一般与正应力垂直，断口平齐而光亮，常呈放 射状或结晶状。
矩形截面板状试样脆性断口可见“人字纹花样”。
人字纹放射方向与裂纹扩展方向平行，其尖顶指向裂纹源。
（二）穿晶断裂与沿晶断裂
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（二）穿晶断裂与沿晶断裂： 穿晶断裂：裂纹穿过晶内，可韧性断裂、也可脆性断裂。 沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多为脆断，断口呈冰糖状。 如应力腐蚀、氢脆、回火脆性、有些淬火裂纹、磨削裂纹等。
3）解理断裂
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2）解理断裂：
向拉应 力状态）下，当外加正应力达到一定数值后，以极快速率沿 一定晶体学平面（解理面）产生的穿晶断裂。
解理断裂常见于:体心立方（bcc）和密排六方（hcp)金属中。
解理面：一般是低指数面或表面能最低的晶面。
晶体结构 bcc（体心立方）
一、断裂的类型
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一、断裂的类型： 断裂过程大都包括裂纹的形成与扩展两个阶段。
按照不同的分类方法，将断裂分为以下几种： 1）按宏观塑性变形程度：韧性断裂、脆性断裂。
2）按裂纹扩展途径：穿晶断裂、沿晶断裂。
3）按断裂机理分类：纯剪切断裂、微孔聚集型、解理断裂。
4）按断裂面取向分类：正断；切断。
3）撕裂韧窝： 在拉、弯应力联合作用下，微
孔在拉长、长大时同时被弯曲， 形成两匹配断口上方向相反的 撕裂韧窝。 （三点弯曲、冲击韧断试样）
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韧窝的大小(直径和深度)决定于： 1）第二相质点的大小和密度。
第二相密度增大或其间距减小，则韧窝尺寸减小。 2）基体材料塑变能力和应变硬化指数。
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（2）微孔成核的位错模型： a）位错运动遇到第二相时，将绕过并在其周围形成位错环。 b）位错环在外加应力作用下，于第二相质点处堆积。 c）位错环移向质点与基体界面，即沿滑移面分离而成微孔。

沿晶腐蚀裂纹（×80）
断口样品的清洗和保存
优点: 景深大、可直接观察断口, 不需制备
金属断口宏观分析的依据主要有: 断口的颜色、花纹、粗糙程度、边缘情况、位置等。
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f.按服役条件分类
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1.3 裂纹与断口 的分析手段
万能轧机双排人字齿轮轴劈裂形貌
宏观观察 ( 肉眼, 放大镜) 显微分析 ( OM SEM TEM) 显微裂纹←磁力探伤、荧光探伤、超声波探伤
在某一晶面上扩展的解理裂纹遇到位错等缺陷后受阻，会转移到相邻的晶面上继续扩展，这些面又有高低层次差。 断口形貌宏观上较平整、基本无塑性变形、或变形很小，与解理断口相近似也具有小刻面及放射状条纹等形貌，但其小刻面和放射状 条纹均较细小。
第二节 裂纹分析 韧性断裂和脆性断裂口的微观形貌
准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 准解理断口的微观形貌也近似于解理断口，有台阶、河流、舌状、撕裂脊、准解理面等形貌。 断口样品的制备与保存
根据断口微观形貌特征可判定断裂的类型，
测定裂纹的扩展速率、断裂过程与影响因素之
断口的宏观分析是断裂失效分析的基础。
韧性断口宏现形貌
e.按环境介质不同分类 非杯锥状
有外周缺口圆棒试样
将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。
将散落断口拼合，测量其几何形状变化，变形量最大的为主裂纹。
晶体解理裂纹转移到孪晶面上扩展一段距离，重新回到(100)面时，突出的挛晶面就会构成舌状花样。
据断口人字条纹矢形方向 汇集到清扫孔A、B.C处，从而 断定裂纹源于清扫孔处。 28
放射标记法
剪切唇法
非完全脆性的断裂就有剪切唇。
断口上只有纤维区和剪切唇时,