金属材料的失效分析

实验序号：7实验项目名称：金属材料的失效分析一、实验目的及要求1.了解失效分析的意义、目的2..熟悉失效分析的类型及分析思路3.利用显微镜对失效试样进行断口失效分析二、实验设备（环境）及要求金相显微镜、体式显微镜、抛光机、实验样品。三、实验内容与步骤㈠实验内容1.失效分析的目的⑴防止同类失效现象重复发生⑵失效分析是机械产品设计、制造的依据⑶消除隐患，确保产品安全可靠⑷失效分析可以提高产品的信誉2.失效的形式及其类型失效的分类比较复杂，按其失效机理将失效分为：断裂失效；变形失效；磨损失效；腐蚀失效等四种类型。⑴断裂失效断裂是指金属或合金材料或机械产品在力的作用下分成若干部分的现象。它是个动态的变化过程，包括裂纹的萌生及扩展过程。断裂失效是指机械构件由于断裂而引起的机械设备产品不能完成原设计所指定的功能。断裂失效类型有如下几种：①解理断裂失效；②韧窝破断失效；③准解理断裂失效；④疲劳断裂失效；⑤蠕变断裂失效；⑥应力腐蚀断裂失效；⑦沿晶断裂失效；⑧液态或固态金属脆性断裂失效；⑨氢脆断裂失效；⑩滑移分离失效等。⑵变形失效所谓变形通常是机械构件在外力作用下，其形状和尺寸发生变化的现象。从微观上讲是指金属材料在外力作用下，其晶格产生畸变。若外力消除，晶格畸变亦消除时，这种变形为弹性变形；若外力消除，晶格不能恢复原样，即畸变不能消除时，称这种变形为塑性变形。变形失效是指机械构件在使用过程中产生过量变形，即不能满足原设计要求时变形量。一般情况下将变形失效分为弹性变形失效和塑性变形失效两种。弹性变形失效将使机械构件表面不留任何损伤痕迹，仅是金属材料的弹性模量发生变化，而与机械构件的尺寸和形状无关；塑性变形失效将导致机械构件表面损伤，其机械构件的形状与尺寸均发生变化。⑶磨损失效磨损是摩擦作用下物体相对运动时，表面逐渐分离出磨屑而不断损伤的现象。磨损失效是指由于磨损现象的发生使机械零部件不能达到原设计功效，即不能达到原设计水平。磨损失效的类型有：①粘着磨损失效；②磨粒磨损失效；③腐蚀磨损失效；④变形磨损失效；⑤表面疲劳磨损失效；⑥冲击磨损失效；⑦微振磨损失效等。⑷腐蚀失效腐蚀是指金属或合金材料表面因发生化学或电化学反应而引起的损伤现象。金属腐蚀虽然在酸洗、化学电源、电解加工、金相浸蚀等方面起着有益于人类的作用，但是它在国民经济上所造成的损失是相当严重的。由于腐蚀作用是机械构件丧失原设计功能的现象称为腐蚀失效。腐蚀失效的类型有：①直接化学腐蚀失效；②电化学腐蚀失效；③点腐蚀失效；④局部腐蚀失效；⑤沿晶腐蚀失效；⑥选择性腐蚀失效；⑦缝隙腐蚀失效；⑧生物腐蚀失效；⑨磨损腐蚀失效；⑩氢损伤失效；o11应力腐蚀失效等。3.失效分析方法进行失效分析时，首先要了解失效分析程序。因为机械构件多数是在运行过程中发生断裂失效的，每当一个零部件断裂损坏时，它和别的零部件、周围环境和操作人员等均有着十分密切的关系。查找原因时要从设计水平、材料质量、加工状态、维修情况、装配精度、工作环境、服役条件和操作方法等因素中找出造成损坏的主要原因，并根据损坏的原因、机理、类型和阶段，进行分析判断，制定出改进措施。断裂过程是个动态过程，对断裂直接进行观察分析是比较难的；而断口是断裂的静态反应，如果对断口进行仔细观察和分析就能找出断裂的原因、机理等。因为断口如实地反映了机械构件断裂的全过程，及机械构件裂纹的萌生与扩展过程，断口分析是机械构件断裂失效分析的一个重要手段。为了取得更好的分析效果，对这一分析手段还必须辅以一系列其他的检验方法，如无损检测、机械性能试验、金相检验、化学分析、X射线分析、断裂韧性试验、电子能谱分析、模拟试验等。最后将上述分析和试验的结果与数据进行综合分析，并提出改进措施，写出失效分析报告。⑴原始资料的收集原始资料是指构件服役前的全部经历、服役历史和断裂时的现场情况等。此外，还要从散落的失效残骸中选择有分析价值的断口和供做其它检测用的试样材料。⑵碎片（或断片）的选择与保存①主裂纹的判别进行断口分析时，首先要选择最先开裂的构件断口。有时一个构件在断裂过程中形成几个断片时（如高压容器或锅炉爆炸事故等），也要选择最先断裂的断口，即主裂纹所形成的断口。经常使用的主裂纹的判别方法有：T型法，分枝法，变形法和氧化法等四种方法。四种判别方法如图所示。T型法将散落的断片按相匹配的断口合并在一起，其裂纹形成T型。分枝法将散落的断片按相匹配断口合并，其裂纹形成树枝型。在断裂失效中，往往在出现一个裂纹后，产生很多的分叉或分枝裂纹。裂纹的分枝或分叉方向通常为裂纹的局部扩展方向，其相反方向指向裂源，即分枝裂纹为二次裂纹，汇合裂纹为主裂纹。变形法将散落的断片按相匹配断口合并，构成原来机械构件的几何形状，测量其几何形状的变化情况，其变形量较大的部位为主裂纹，其它部位为二次裂纹。氧化法在受环境因素影响较大的断裂失效中，检验断口各个部位的氧化程度，其中氧化程度最严重者为最先断裂者即主裂纹所形成的断口，因为氧化严重者说明断裂的时间较长，而氧化轻者或未被氧化者为最后断裂所形成的断口。氧化法A:主裂纹形成的断口部分；B:二次裂纹形成的断口部分；O:裂源分叉法A:主裂纹;B、C、D：二次裂纹；O:裂源T型法A:主裂纹；B：二次裂纹；O：裂源变形法A：主裂纹；B、C：二次裂纹；②二次裂纹的选择断裂失效分析过程中，主裂纹所形成的断口损伤很严重而不能提供断裂形貌特征时，则要分析研究二次裂纹所形成的断口。二次裂纹的判别方法如上所述。二次裂纹的类型有：分枝的二次裂纹；横向取向的二次裂纹。利用二次裂纹选取断口试样主要是下面几种情况：1）主裂纹化学腐蚀严重。如环境断裂条件下，主裂纹不能提供断口形貌特征时；2）擦伤严重的主裂纹断口不能反映断裂形貌特征；3）高温条件下的主裂纹断口，往往有一层较厚的氧化膜；4）分析研究断裂机理、断口精细形貌特征时，要详细地观察形貌特征。③断口的保存在分析损坏现象时，材料断裂的发生及传播过程与断口形貌的对应关系是很重要的。根据材料断裂的条件和断口形貌特征可分析出材料的断裂原因。因此，对断口表面必须保护得非常完整，不能碰伤，严防用手抚摸断口表面，以保持断裂时的原有状态。特别是在机械构件断裂失效后，往往会使构件断面擦伤和锈蚀，所以在分析过程中要十分注意对断口的保存。为了全面地进行失效分析，除了断口分析所需的试样之外，其它分析检验项目还需要各种试样，如机械性能试样、化学分析样品、电子探针试样、金相试样、表面分析试样、断裂韧性试样和模拟试验用的试样等。这些试样均要在选择断片时考虑进去，要从构件有代表性的部位上截取。在截取之前都应在构件上画好截取的部位，用草图和照相记录，标明是哪种试样，以免弄混而导致错误的分析结论。截取试样时要小心保护断口或裂纹，使截取下的试样不受损伤，不改变断口形貌及微观组织形态，不受高温的影响或者其它的化学腐蚀，使断片或断口保持干燥。无论用什么方法截取试样时，都要远离断口表面，要避免断口受到损伤，尤其是裂源更要加强保护。如果将裂源损伤，则将很难进行断口分析。4.断口分析方法断口分析是断裂失效分析的最重要的分析手段。在断口分析技术中，最关键的两项工作是：⑴断口的选择；⑵断口的观察。断口观察包括宏观观察和微观观察。断口宏观观察主要是确定裂源位置及裂纹的扩展方向；断口微观观察是在宏观观察基础上，对裂源区、裂纹扩展区及最终断裂区进行检验。通常是应用电子显微镜、电子探针、离子探针及俄歇谱仪等工具来观察或检验微观形貌特征，微量或痕量元素对断裂的影响等，进一步判断和证实断裂的性质及方式。在断口分析中必须注意这二者的结合并用。在失效分析中，为更好地获得分析结果，除了进行断口分析之外，还必须进行化学、力学、物理等试验分析，包括化学分析、金相检验、结构分析、断裂力学分析、模拟试验、综合分析等。㈡实验步骤1.对实验样品进行初步分析。2.利用金相显微镜和体式显微镜对断口进行观察分析。3.寻找失效原因。四、实验结果与数据处理观察到的裂纹如下工程结构材料的失效形式通常为断裂、腐蚀、磨损，其中断裂是常见的失效形式之一。材料的断裂按照断裂路径可划分为正断和韧断。正断是在正应力作用下材料原子面间的结合力被破坏，断裂无明显的宏观变形，微观断口具有结晶学特征；韧断是在切应力作用下材料内位错的滑移导致滑移面分离而断裂，断裂具有明显的宏观变形，断裂特征为滑移蛇形花样，工程结构材料的实际断裂往往是二者的结合。五、分析与讨论1.解理断裂与韧窝断裂失效有何差异？答：裂纹沿解理面形核、扩展而导致的脆性断裂，韧窝在晶粒内时属于穿晶断裂，韧窝在晶界上时属于沿晶断裂，如高温蠕变断裂。2.韧性断裂与脆性断裂有何差异？答：韧性断裂是断裂前发生了较明显的塑性变形，断裂前未发生较明显的塑性变形。3.穿晶断裂与沿晶断裂有何差异？答：沿晶脆性断裂是指断裂路径沿着不同位向的晶界(晶粒间界)所发生的一种属于低能吸收过程的断裂。穿晶断裂时裂纹穿过晶粒内部扩展。穿晶断裂可以是宏观塑性断裂，也可以是宏观脆性断裂。如低碳钢试样在室温下进行拉伸试验时的断裂，即穿晶断裂。4.韧性断裂断口的特征三要素是什么？答：是剪切唇，放射区，纤维区。