1、故障诊断与失效分析 第一章故障诊断与失效分析概述第一章故障诊断与失效分析概述第一节失效分析的意义及名词失效分析的意义及名词 1失效 产品丧失规定的功能（包括规定功能的完全丧失，也包括规定功能的降低）称为失效，对于可修复的产品，通常称之为故障。o失效:涉及到产品、可修复产品、功能、规定的功能和丧失等几个概念。o产品：按ISO9000定义，产品是过程的输出。产品一词在失效分析及其相关领域特指成品。o可修复产品：当产品丧失规定功能时，按规定的程序和方法进行维修后，可恢复规定功能的产品。一个产品是否需要修复，是一个相对的概念，受到多方面因素的制约。首先要看技术上是否可行，其次要看经济上是否合理，再次要
2、看时间上是否允许等等。o功能：功能是指作为产品必须完成的事项，指产品的功用和用途。o规定的功能：规定的功能是指国家有关法规、质量标准、技术文件以及合同规定的对产品适用、安全和其它特性的要求。它既是产品质量的核心，也是产品是否失效的判据。o丧失：产品在商品流通或使用过程中失去了原有规定的功能（或降低到规定功能以下），也就是说，产品规定的功能有一个从有到无、从合格到不合格的过程。这种功能的丧失可能是暂时的、简短的或永久性的；可能是部分的、全部的；丧失可能快也可能慢；丧失规定的功能，经过修理后有可能恢复，也可能无法恢复。 失效的种类是很多的。一般情况失效可作如下分类。1.1按失效原因划分误用失效：未
3、按规定条件使用产品而引起的失效；本质失效：由于产品本身固有的弱点而引起的失效，与是否按规定条件使用无关；早期失效：由于产品在设计、制造或检验方面的缺陷等原因而引起的失效。一般情况下，新产品在研究和试制阶段出现的失效，多为早期失效。一般来说，早期失效可通过强化试验找出失效原因并加以排除。偶然时效（随机失效）：产品因为偶然因素而发生失效，通常是产品完全丧失规定功能。既不能通过强化试验加以排除，采取良好维护措施也不能避免，在什么时候发生也无法判断。耗损失效：产品由于磨损、疲劳、老化、损耗等原因而引起的失效，它往往是产品的输出特性变坏，但仍有一定的工作能力。 1.2按失效程度划分完全失效：完全丧失规定
4、功能的失效；部分失效：产品的性能偏离某种规定的界限，但尚未完全丧失规定功能的失效。1.3按失效的时间特性划分突然失效：通过事先的检测或监控不能预测到的失效；渐变失效：通过事先的检测或监控就可以预料到的失效。产品的规定功能是逐渐减退的，但开始该过程的时间不明显。 1.4按失效后果的严重程度划分致命失效：导致重大损失的失效；严重失效：能导致复杂产品完成规定功能的能力降低的产品组成单元的失效；轻度失效：指不致引起复杂产品完成规定功能的能力降低的产品组成单元的失效。1.5按失效的独立性划分独立失效：不是因为其它产品的失效而引起的本产品的失效；从属失效：是因为其它产品的失效而引起的本产品的失效。1.6按
5、失效的关联性划分关联失效：在解释试验结果或计算可靠性特征数值时必须计入的失效；非关联失效：在解释试验结果或计算可靠性特征数值时不应计入的失效； 产品的零件失效，并不总会引起产品的不可靠。对于复杂的产品，会有这样的零件，它的失效不一定会引起产品基本特性偏离规定界限之外。例如，车厢内的照明灯，对于汽车的可靠性没有影响，在计算产品的可靠性时，该零件的失效不予考虑。 2失效分析 o机件失效，特别是那些事先没有明显征兆的失效，有时会带来巨大的经济损失，甚至会造成严重的人身事故。因此，对失效的零件进行分析，找出失效原因，提出改进和防范措施，对于提高产品质量，杜绝类似事故再次发生是十分重要的。o 失效分析的
6、目的不只是要判断机件的失效原因，更重要的是为预防失效找到有效的途径。前者是后者的基础，后者是前者的继续，两者是不可分割的。 2.1失效分析的定义： 研究产品潜在的或显在的失效机理，发生率及失效的影响，或为决定改进措施而进行的系统调查研究。 潜在的和显在的事前、事中、事后分析 谈到失效分析，往往只着眼于工程中、试验或使用后发生的显在异常或失效。但从预防的角度来看，应尽量追溯其起源、源流，“抓住不好的苗头”。即应重视包括预测和预报技术（模拟、环境试验、有限元、应力分析、FMEA(Failure Mode and Effect Analysis,失效模式及效应分析)、FTA（Failure Tree
7、 Analysis，故障树分析）、FMECA（Failure Mode Effect and Criticality Analysis，失效模式、效应及危害度分析）、ETA等）的事前和事中的失效分析。 o事前分析：应用于设计、开发、制造阶段的预测分析。主要包括：工程计算、可靠度计算、故障率的评价、FTA、FMEA、ETA等，以及零部件外购阶段的评价和认定等外购管理。o事中分析：在制造阶段中的制造、生产设备，使用中产品异常的预测、状态监视维护及状态监视。o事后分析：事后通过追究制造、试验和使用等各阶段发生不良情况和异常情况，以及失效现场分析，根据现象产生的原因及再现实验提出进一步改善的措施。o最
8、典型的失效分析是事后分析，以失效分析的目的上看，它是改善和排除失效原因的预防工作。机理、发生率、失效的影响质的和量的分析o 关于机理，不仅需要质的评价，也需要发生率这一量的评价。o质的、功能的分析固有技术分析、应力分析、功能和环境试验、再现实验、材料和物性论的分析、可靠性方框图、FMEA、FTA（功能面）的利用等。o量的分析工程计算、模拟、失效率的预测、变化率和渐变失效的预测等。统计、概率分布、用概率纸分析、累积风险性分析、多变量分析、实验设计法等。 改进措施和系统的调查研究o 失效分析方法本身的开发是非常重要的。失效机理的探求归根到底涉及到产品寿命的全过程，可以必须有组织的、有系统的，而不是
9、零星的、片断的调查结果而告终。o 在追溯导致失效原因的过程中，获得和整理必要的信息也是不可缺少的。不论是否提出改进措施，一定要汇编成报告书，进而编入事例集及输入数据库，供事前分析和防止再发生失效使用。2.2失效具有绝对性失效具有绝对性从人类认识客观世界的历史长河来说，人的认识是有限的，而客观世界是无限的。失效是人们的主观认识与客观事物相互脱离的结果，失效发生与否是不以人的主观意志为转移的。因此，失效是绝对的，而安全则是相对的，失效具有绝对性2.3失效分析具有原创性失效分析具有原创性失效分析是人们认识客观物理本质和发展规律的逆向思维和探索，是对正向思维和研究的不可或缺的重要方法和补充；失效分析是
10、变失效（失败）为安全（成功）的基本环节和关键；失效分析是人们深化客观事物认识的知识源头和途径。 因此，失效分析具有原创性。2.4失效及其分析具有普遍性失效及其分析具有普遍性失效分析、改进提高、再失效分析研究、再提高发展，如此往复循环、螺旋上升、发展飞跃，就是人类科学技术发展历史、乃至于社会发展历史的全过程。因此，广义地说，科学技术发展史、社会发展史都是人类与广义的失效不断作斗争、变失败（失效）为成功（安全）的历史。因此，失效及其分析具有普遍性。2.5失效分析的复杂性 构件（或产品）的失效原因是非常复杂的，它涉及到机构设计、可靠性工程、材料选择、加工制造、装配调整、故障诊断及使用与保养等许多因素
11、。正确进行失效分析就必须综合运用工程力学、可靠性理论、故障诊断理论、物理化学、金属学、材料科学、加工工艺学及理化测试技术等多方面的知识。因此，失效分析是复杂的，是一门综合性的技术科学。 第二节机械产品的失效类型及影响因素第二节机械产品的失效类型及影响因素 本节不去分析影响机械产品失效的各种因素，而只是从金属的力学性能角度出发，根据失效分析提出的失效抗力指标技术，运用金属学、材料科学、金属材料强度学等基本知识，介绍影响失效抗力指标的冶金因素，为从金属材料方面提高失效抗力指出方向。 2.1机械产品的失效类型和相应的抗力指标 2.1.1故障模式的基本概念 在我国军标（GJB45189可靠性维修术语）
12、中，故障模式的定义是：故障的表现形式。更确切的说，故障模式一般是对产品所发生的，能被观察或测量到的故障现象的规范的描述。 在分析产品故障时，一般是从产品故障的现象入手，通过故障现象（故障模式）找出故障原因和故障机理。对机械产品而言，故障模式的识别是进故障模式的识别是进行故障分析的基础之一行故障分析的基础之一。 故障模式可能是系统的，如发动机不能运动；也可能是某一部件，如传动箱有异常音响；也可能就是某一具体的零件，如履带板断裂，油管破裂等。因此，针对产品结构的不同层次，其故障模式有互为因果的关系。如“发动机损坏”这一故障模式是它上一层次“汽车不能开动”的因，又是它下一层次故障模式“连杆疲劳断裂”
13、的果。 故障模式层次表2.1.2零件常见的故障模式 由于机械产品种类繁多，在这里不可能逐个列举各产品的故障模式，这里重要分析机械零件的故障模式。 o将机械零件的故障模式概括为材料的损害类型，并根据材料的力学性能提出相应的抗力指标（见下表） 2.2影响失效抗力的冶金因素影响失效抗力的冶金因素 2.2.1对裂纹萌生与扩展的影响（界面因素）对裂纹萌生与扩展的影响（界面因素） 裂纹是一切破坏的起源。除因表面的应力集中或材料内部宏观缺陷引起以外，涉及到冶金因素关系就微观尺度而言：裂纹萌生：晶界面 晶界、亚晶界、弯晶界、滑移带界面、解理面相界面 脆性第二相界面、韧性第二相界面 改善界面的物理、化学、力学状
14、态，可以抑制裂纹的萌生，提高疲劳和断裂抗力。 裂纹的扩展总是沿着能量消耗最小的方向，阻力最小的逾径进行的。为延缓裂纹的扩展，提高裂纹扩展阻力，可从以下方面着手：o采用微量合金化、强韧化工艺，使裂纹扩展机制由沿晶脆断转换为沿晶界韧窝断裂或转换为穿晶韧窝断裂。o在材料中有意识地设置种种障碍。如获得一定数量的韧性第二相（F、A），细化晶粒。提高工件使用寿命。o通过适当的热处理工艺，改变材料的组织（单向或复相）的形态、大小、数量和分布，增大裂纹扩展的阻力。2.2.2晶粒大小的影响晶粒大小的影响o 细化晶粒是一种既强化又韧化的有效措施业已发现，其它力学性能指标、Kth、K1c等在一定条件下也有类似的关系
15、。 2/1dksis2.2.3非金属夹杂物的影响非金属夹杂物的影响o一次断裂中， 、 、（）对夹杂物不敏感，而 、 、K1c对夹杂物敏感。o对疲劳断裂的影响 使光滑和缺口疲劳强度下降。 sbk2.2.4杂质元素在晶界偏聚的危害杂质元素在晶界偏聚的危害 杂质元素在晶界偏聚可引起回火脆性、低温冷脆、晶间疲劳、晶间应力腐蚀、氢脆、高温蠕变断裂等。可采取以下措施：o降低杂质元素含量（精炼）；o加入Al、Ti固定S、O、N减少偏聚；o加入Mo、W减缓Pb、P、Sn等的间隙扩散，控制第二类回火脆；o细化晶粒，使晶间偏聚浓度降低；o两相区淬火；o利用复合偏聚作用。如加Re，可使P、Sn等偏聚减少，加B可使C
16、在晶界偏聚减少；2.2.5残余内应力 尽量造成残余压应力，使疲劳性能增加。1)垂击;2)滚压;3)超声冲击；4）热处理第三节失效分析的基本内容和故障诊断的第三节失效分析的基本内容和故障诊断的基本类型基本类型3.1失效分析的基本内容失效分析的基本内容 发生故障的部件，零件虽各不相同，其发生故障的部件，零件虽各不相同，其分析方法与步骤也各有差异，但故障分析的分析方法与步骤也各有差异，但故障分析的基本程序却是共同的。基本程序却是共同的。 机械故障原因分析的通用程序 ： 1、现场调查收集背景数据和使用条件 o部件发生故障的日期、时间、工作温度和环境；o部件损坏的程度，部件故障发生的顺序；o故障发生时的
17、操作阶段，故障件有无反常情况或不正常的音响；o对故障部件及其邻近范围部件进行拍照或画草图；o在使用过程中可以导致故障的任何差错；o使用人员的技术水平和对故障的看法；（2）故障现场摄像或照相的重点是：对有可能迅速改变更位置的事，应尽快地拍照。它包括：n设备n仪表指示的读数和控制的位置；n可能被天气、来往行人、车辆或清扫人员去掉的证据； 例如，地面上的痕迹，受热的证据，液体等等。o正在燃烧的火灾，摄取烟和火焰的彩色图像。调查人员可以分析燃烧材料的种类和温度的高低等信息。o对整个故障现场要有足够的表示。在特写镜头中，应包括一件熟悉的东西在内，甚至放把直尺，以表示拍摄实物的尺寸。对断口照片，一定要从不
18、同角度来反映断口形貌。o重要的部件或断口要有特写镜头。开始用广角镜头表示部件之间的关系，如需要可进行实验室照相。这对断口的形貌和成份分析都是必要的。 （3）故障件的主要历史资料。包括：o部件名称，标记制造编号、厂家、使用单位；o部件的功能，使用材料，设计书中规定的有关项目；o致发生故障时的使用时间；o设计图样，说明书，指导部件生产、制造、检验和操作规范；o生产厂的验收技术报告和质量控制报告；o使用情况记录；o过去的故障情况记录和维修报告等； （4）对故障件进行初步检查；（5）故障件残骸的鉴别、保存和清洗；2、分析并确定故障原因和故障机理 o故障件的检查与分析。 包括无损探伤检验，机械性能试验，
19、断口的宏观与微观检查与分析，金相检查与分析，化学分析等。o必要的理论分析和计算。包括强度，疲劳，断裂力学分析及计算等。o初步确定故障原因和机理。o模拟试验，确定故障原因与机理。3、分析结论 o每一件故障分析工作做到一定阶段或试验工件结束时，都要对所获得的全部资料、调查记录、证词和测试数据，按设计、材料、制造、使用，四个方面是否有问题来进行集中归纳，综合分析和判断处理，逐步形成初步的简明结论。o 对设计和材料的要求以说明书为准，对制造过程以故障部件的分析检测结果为准，而对使用则以操作规程为准。反复核对其中的差异，正是这种差异能够说明故障的起因。o 对于运动部件，如轴、叶片等，还要考虑自身的固有频
20、率和运动频率产生共振时所引起的附加载荷。首先要了解设计人员是否考虑了这个问题，核对计算有无问题。o 在汇集整理力学测试数据，化学分析数据和断口形貌以及显微组织、照片的同时，要回答或说明这些结果是否符合设计要求和使用要求。 故障分析结束时必须提出一个结论明确、建议中肯的报告。一方面是为了改进工作，积累资料，交流经验；另一方面也为索赔和法律仲裁提供依据。 分析报告主要内容有：n故障分析结论；n改进措施与建议及对改进效果的预计；n故障分析报告提供（交）给有关部门，并反馈给有关承制单位；n必要时应对改进措施的执行情况进行跟踪和管理； 3.2故障诊断的基本类型（方法）o3.2.1 机械设备状态监测与故障
21、诊断的定义o机械设备状态监测与故障诊断n识别机械设备(机器或机组)运行状态的一门综合性应用科学和技术，它主要研究机械设备运行状态的变化在诊断信息中的反映。n通过测取设备状态信号，并结合其历史状况对所测信号进行处理分析，特征提取，从而定量诊断(识别)机械设备及其零部件的运行状态(正常、异常、故障)，进一步预测将来状态，最终确定需要采取的必要对策的一门技术。n主要内容包括监测、诊断(识别)和预测三个方面。定义 监测与诊断的关系o机械设备状态监测与故障诊断既有区别、又有联系，同一学科的两个层次：简易/精密n状态监测也称为简易诊断，一般是通过测定设备的某些较为单一的特征参数(如振动、温度、压力等)来检
22、查设备状态，并根据特征参数值与门限值之间的关系来决定设备的状态。n如果对设备进行定期或连续的状态监测，便可获得有关设备状态变化的趋势规律，据此可预测和预报设备的将来状态。通常这就叫做趋势分析。n故障诊断也称为精密诊断，不仅要掌握设备的状态正常与否，同时还需要对产生故障的原因、部件（位置）以及故障的严重程度进行深入的分析和判断。3.2.2 故障诊断的主要目的与任务 故障诊断的主要目的故障诊断的主要目的：n及时、正确、有效地对设备的各种异常或故障状态作出诊断，预防或消除故障；同时对设备的运行维护进行必要的指导。确保可靠性、安全性和有效性。n制定合理的监测维修制度，保证设备发挥最大设计能力,同时在允
23、许的条件下充分挖掘设备潜力，延长其服役期及使用寿命，降低设备全寿命周期费用。n通过检测、分析、性能评估等，为设备修改结构、优化设计、合理制造及生产过程提供数据和信息。.3 开展故障诊断工作的意义o有利于提高设备管理水平n“ 管好、用好、修好”设备，不仅是保证简单再生产的必要条件，而且能提高企业经济效益，推动国民经济持续、稳定、协调地发展。n机械设备状态监测与故障诊断是提高设备管理水平的一个重要组成部分。我国已将我国已将设备诊断技术设备诊断技术、修复技术修复技术和和润滑技术润滑技术列为列为设备管理和维修工作的三项基础技术。设备管理和维修工作的三项基础技术。按诊断环境划分有离线人工分析、诊断和在线
24、计算机辅助监视诊断。按检测手段划分振动检测诊断方法噪声检测诊断法温度检测诊断法压力检测诊断法声发射检测诊断法润滑油或冷却液中金属含量分析诊断法金相分相诊断法按诊断方法原理划分o频域诊断法：应用频谱分析技术，根据频谱特征变化，判别机器的工况状态的变化。o时域分析方法：应用时间序列模型及其有关的特征函数，判别及其的工况状态的变化。o统计分析法：应用概率统计模型及其有关的特征函数，实现工况状态监视与故障诊断。o信息理论分析法：应用信息理论建立的某些特性函数，如库尔伯克（Kullback）信息数，J散度等在机器运行过程中的变化，进行工况状态分析与故障诊断。o模式识别法：利用检测信号，提取对工况状态反应
25、敏感的特征量构成模式矢量，设计合适的分类器，判别工况状态，它是人工智能的技术之一。o其它人工智能方法：如人工神经网络、专家系统等。属新领域。 按诊断对象分o 有汽轮机故障诊断、压缩机故障诊断、化工机械故障诊断、齿轮箱的故障诊断等等。o 就学科角度而言，上述方法又是相互变更的，如许多统计方法都包括在统计模式识别范畴之内。本课程的性质与任务本课程的性质与任务 o了解常见的机械零部件失效形式；o了解失效分析的基本方法和步骤；o对于简单的失效零件能够提出失效分析思路和具体的失效分析方案。 原子力显微镜原子力显微镜原子力显微像原子力显微像透射电子显微镜透射电子显微镜透射电子显微像透射电子显微像扫描电子显
26、微镜扫描电子显微镜扫描电子显微像扫描电子显微像碳纳米管碳纳米管第二章断口分析第一节断裂分类及断口宏观特征第一节断裂分类及断口宏观特征 一、断裂分类一、断裂分类 按断裂形态分 根据材料断裂前所产生的宏观塑性变形量大小来确定断裂类型。 韧性断裂：特征是断裂前发生明显宏观塑性变形。用肉眼或低倍显微镜观察时，断口呈暗灰色，纤维状。脆性断裂：特征是断裂前基本不发生塑性变形，没有明显征召，故危害性很大。一般具有如下特点：o脆断时承受的工作应力很低，一般低于材料的屈服极限；o脆断的裂纹源总是从内部的宏观缺陷处开始；o温度降低，脆断倾向增加；o脆性断口平齐而光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射花样。o
27、材料的韧性断与脆性断是相对的，脆断前也发生微量塑性变形。一般规定光滑拉伸试样的断面收缩率小于5则为脆性断口，该材料称为脆性材料，反之为韧性材料。 按裂纹扩展路径分类穿晶断裂：裂纹穿过晶内。沿晶断裂：沿晶界扩展。o穿晶断裂可以是韧性断，也可以是脆性断，而沿晶断则多数是脆性断。o金属材料在室温下多数都是韧性穿晶断裂。（如拉伸）o金属在高温下，多由穿晶断裂转化为沿晶韧性断裂。按断裂机制分类 穿晶断裂依其断裂方式可分为解理断裂与剪切断裂。解理断裂：在正应力作用下产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面（即解理面）而分离。 通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂却不一定是解理断裂，两者不是同义语。剪切
28、断裂：在切应力作用下，沿滑移面滑移而造成的滑移面分离称剪切断裂。可分为两类：滑断（纯剪切断裂） 纯金属，尤其是单晶体金属常发生这种断裂，断口呈锋利的楔形（单晶体）或刀尖形（多晶金属的完全断裂）。微孔聚集型断裂（钢铁等工程材料多为这种断裂）。 根据断口的宏观取向与最大正应力的交角划分：正断型断裂：断口的取向与最大正应力相垂直。（解理或塑变约束较大的场合）切断型断裂：断口的取向与最大切应力方向一致，与最大正应力约呈45角。按受力状态，环境介质不同分类 静载断裂（拉、扭、剪）、冲击断裂、疲劳断裂、低温冷脆断裂、高温蠕变断裂、应力腐蚀断裂和氢脆断裂、磨损和接触疲劳则为一种不完全断裂。 二、断口的宏观特
29、征二、断口的宏观特征 宏观断口指用肉眼、放大镜或低倍显微镜所观察到的断口形貌，宏观断口分析是一种非常简便而又实用的分析方法。在断裂事故分析中总是首先进行宏观断口分析。从宏观分析中，大致可判断出断裂的类型（韧、脆、疲劳），同时也可以大体上找出裂纹源位置和裂纹扩展路径，粗略找出破坏原因。 圆柱试样的静拉伸断口 光滑圆柱试样的韧性断口一般呈纤维状，它是由纤维区、放射区、剪切唇三个区域组成。纤维区 对于光滑试样的杯锥状断口来说，纤维区往往位于断口的中央。由于纤维区中塑性变形较大，加之断面粗糙不平，对光线的散射能力很强，所以总是呈暗灰色。 放射区o 有放射样特征，纤维区与放射区交界线标志着裂纹由缓慢扩展
30、向快速扩展的转化。o 放射花样也是由剪切变形造成的，但与纤维区的剪切断裂不同，是在裂纹达到临界尺寸后作快速低能量撕裂的结果。此时，材料的宏观变形量很小，表现为脆性断裂。但在微观局部区域，仍有很大的塑性变形。故放射花样是剪切型的低能量撕裂的一种标志。o 材料越脆，放射线越细，若材料处于完全的沿晶断裂或解理断裂状态（板脆状态）则放射消失。剪切唇o 与拉应力呈45。此时，裂纹是在平面应力状态下发生失稳扩展，材料的塑变量很大，属于韧性断裂区。o当试样形状、尺寸、材料性能以及试验强度、加载速率和受力状态不同时，断口三个区域的形态、大小、相对位置都会发生变化。一般来说，材料强度上升，塑性下降，放射区所占比
31、例上升；试样尺寸上升，放射区上升。o 缺口试样则使裂纹产生的位置发生了改变（裂纹起自缺口处，最后断裂区在试样心部）。 平板试样的宏观断口o 无缺口的平板矩形拉伸试样，如图柱形试样一样，也有三个区域，但断口形态不同，其中心部的纤维区变成“椭圆形”，而放射区变为“人字形”花样，人字形花样的尖端指向裂纹源。沿晶断裂的宏观特征 晶界的存在本是使金属材料强化的重要因素之一。但某些情况下晶界变成特有的薄弱源，导致沿晶断裂。o 沿晶断裂总是与材料的某些机械性能明显降低（如 、 、 、K1c等）相联系。一般与热处理规范、外界环境及应力状态有关。如热处理引起的过热脆和回火脆；环境引起的应力腐蚀与氢脆断裂；由于高
32、温及应力共同作用产生的蠕变断裂等。大多数情况下都属于沿晶断裂。o 沿晶断裂多属脆性断裂，断口常呈“冰糖状”形态，有时也称“萘状断口”。 k晶内断裂晶内断裂疲劳断口的宏观特征 疲劳断口宏观上由两个区域组成。疲劳裂纹产生及扩展区o 由于材质的质量、加工缺陷或结构设计不当等原因，在零件的局部区域造成应力集中，该区是疲劳裂纹核心产生的策源地。裂纹产生后，在交变载荷作用下扩展，在疲劳裂纹扩展区常常留下一条条的同心圆弧线，叫前沿线（或疲劳线），这些弧线形成了象“贝壳”一样的花样。断口表面因反复挤压、摩擦，有时光亮得象细瓷断口一样。 最后断裂区o 裂纹不断扩展使零件的有效断面逐渐减少，应力不断增加。当超过材
33、料的断裂强度时，则发生断裂。该区和静载下带有尖锐缺口试样得断口相似。对塑性材料，断口为纤维状、暗灰色，而对于脆性材料则是沿晶状。o根据疲劳断口上两个区域所占的比例，可估计零件所受应力高低及应力集中程度的大小。一般来说，瞬时断裂区的面积愈大，愈靠近中心，则表示工件过载程度越大，应力集中严重；相反，其面积愈小，位置愈靠近边缘，则表示过载程度愈小。应力集中亦越小。 疲劳裂纹萌生区实际构件断口的宏观特征 实际构件受力状态复杂，断裂原因也是多种多样，故宏观断口的形貌比较复杂。因此观察实际构件的宏观断口主要从以下几个方面着手：观察断口是否存在放射花样或人字纹，沿着人字纹尖顶，可找到裂纹源位置。放射区或人字
34、纹区所占比例愈大，则脆性愈大。观察断口是否存在弧形迹线，疲劳断口上的同心圆就是这种弧形迹线，找到了同心圆弧线，就可顺着同心方向找到疲劳源。观察断口的粗糙程度。实际断口的表面是由许多小断面所构成，小断面的大小、曲率半径及相邻小断面间的高度差，决定了断面的粗糙度。断口越粗糙，表明韧性纤维断裂所占比例（重）越大；反之，断口细平、多光泽，则面积断裂所占比重大。观察断口的光泽与颜色。断口的暗灰色表明裂纹扩展过程中塑性变形大。但断裂中若存在磨损，氧化时将变得很复杂。观察断口与最大正应力方向的交角。脆断断口与最大正应力方向垂直，纯剪切断裂的断口与最大切应力方向平行。但纤维区的宏观平面与最大正应力方向垂直。
35、第二节韧性断裂的微观机制 一、断口的微观形貌 韧性断裂有两种类型，一种是纯剪切型，一种是微孔聚集型断裂。微孔聚焦型断口的特征 在高倍电子显微镜下观察，可见大量微坑覆盖断面这些微坑称为韧窝。 韧窝有抛物线型的剪切韧窝及撕裂韧窝、等轴韧窝之分，都属于韧性断裂的主要微观形貌。微孔聚合型断口微孔聚合型断口纯剪切型断口特征o 纯剪切型断裂是沿滑移面分离的结果，一般情况：单晶体金属的滑移线往往不是直线，而是一些波纹线。多晶体纯金属（纯铁）往往出现“蛇行”花样，这主要是由于沿几个滑移面分离所造成的滑移台阶。此外，还呈现出的“波纹状”或“涟波状”。o 纯剪切断裂只在高纯金属中才易出现。 二、韧窝形成过程 o韧
36、窝的形成是由于塑性变形使夹杂物周围位错塞积，塞积的结果使夹杂物界面上首先形成裂纹，并不断扩大，最后夹杂物之间基体金属产生“内缩颈”，当缩颈达到一定程度后被撕裂或剪切断裂，使空洞连结，从而形成了所看到的韧窝断口形貌。 影响韧窝形貌的因素 实际断口中观察的韧窝其形成位置、形状、大小、深浅很不相同，受很多因素影响。o成核粒子的大小及分布。o基体材料的塑性变形能力，尤其是形变强化能力。o外界因素：包括应力大小、应力状态、温度、形变速率。 o韧窝的位置一般均在第二相粒子处。o韧窝的形状主要决定于应力状态或决定于拉应力与断面的相同取向。若正应力垂直于微孔平面，使微孔在垂直于正应力的平面上各方向长大的倾向相
37、同，就形成等轴韧窝。若在切应力作用下断裂，如拉伸试样杯锥状断口的剪切唇部分，韧窝的形态是拉长的抛物线形状（断裂韧性试验也如此）。o韧窝的大小和深浅决定于材料断裂时微孔形核的数量，材料的塑性和试验温度。若微孔形核位置很多或材料的韧性较差，则断口上形成韧窝尺寸较小也较浅。反之则韧窝较大、较深。注意：微孔聚集型的韧性断裂一定有韧窝存在，但在微孔形态上出现韧窝的断口，其宏观上不一定就是韧性断裂。因为宏观脆断在局部区域内也可能有塑性变形，及在微观上就显示出韧窝状态，因此在分析断口时，一定要吧宏观和微观结合起来，才能得出正确的判断。 第三节脆性解理断裂的微观机制 脆断的类型很多：o高强钢由于原始裂纹存在产
38、生的低应力脆断；o结构钢在低温下的冷脆断裂；o交变应力下的疲劳断裂；o环境介质与拉应力共同作用而产生的应力腐蚀与氢脆断裂；o由于晶界析出脆性相而产生的沿晶脆断等；本节主要介绍解理断裂的微观断口形貌及形成原因。 o温度降低脆断倾向增大，特别是在有缺口或者是有较大应力集中时，更是如此。例如二次世界大战时美国的军舰、油轮等的低温脆断。o（舱盖）1943年美国年美国T-2油轮发生断裂油轮发生断裂5 Titanic5 Titanic沉没原因沉没原因nTitanic 含硫高的钢板，韧性很差，特别是在低温呈脆性。所以，冲击试样是典型的脆性断口。近代船用钢板的冲击试样则具有相当好的韧性。Titanic 号钢板
39、（左图）和近代船用钢板（右图）的冲击试验结果一项新的科学研究回答了一项新的科学研究回答了80年未解之谜年未解之谜建造中的建造中的Titanic 号，可以看到船身上长长号，可以看到船身上长长的焊缝的焊缝o右图是建造中的右图是建造中的Titanic 号。号。oGannon 的文章指出，的文章指出，在水线上下都由在水线上下都由10 张张30 英尺长的高含硫量英尺长的高含硫量脆性钢板焊接成脆性钢板焊接成300英英尺的船体。尺的船体。o船体上可见长长的焊缝。船体上可见长长的焊缝。船在冰水中撞击冰山而船在冰水中撞击冰山而裂开时，脆性的焊缝无裂开时，脆性的焊缝无异于一条异于一条300英尺长的英尺长的大拉链，
40、使船体产生很大拉链，使船体产生很长的裂纹，海水大量涌长的裂纹，海水大量涌入使船迅速沉没。入使船迅速沉没。o这是钢材韧性与人身安这是钢材韧性与人身安全的一个突出例证。全的一个突出例证。 一、断口的微观形貌 解理断裂o 在拉应力作用下引起的一种脆性穿晶断裂，通常总是沿着一定的结晶面分离，该晶面称为解理面。解理面一般都是低指数面，其表面能低，理论断裂强度最低。解理断裂一般均发生在体心立方和密排六方金属中，而面心立方金属只在特殊情况下才出现。 解理断裂的微观断口形貌o 由于解理断裂是沿一定的结晶面分离，所以单晶体的解理断口应是一个毫无特征的理想平面。多晶体则是由很多取向略有差别的光滑小平面（常称为“刻
41、面”）组成，每一个小平面代表一个晶粒。oa)河流花样o 显微观察每个小平面，发现这些小平面并非是一个单一的解理面，而是由一组平行的解理面所组成，两个平行解理面相差一定高度，交接处形成台阶。从垂直面方向观察，台阶汇合会形成一种类似河流的花样。o 河流花样是台阶存在的标志。o 从河流花样的走向可以判断裂纹源的位置和裂纹扩展方向，河流的上游（即支流发源处）是裂纹发源处（细处），而河流的下游是裂纹扩展的方向。 裂纹扩展方向b)舌状花样o 舌状花样因其形状确实象躺在解理面上的“舌头”而得名，两个断面之间凸凹相配。舌状花样的形成一般认为是解理裂纹与孪晶相遇时，便沿孪晶面发生局部二次解理，发展至一定程度后，
42、二次解理面与主解理面之间的连接部分折断，从而形成舌状花样。o 在低温及高速变形时，容易发生孪生变形，容易出现舌状花样。 解理台阶及河流形成原因解理台阶及河流形成原因1）解理台阶（1）解理裂纹与螺型位错交截形成台阶。（2）处于不同高度而两个相互平行的解理裂纹，通过二次解理或撕裂（剪切）相互连接而形成“台阶”。2）河流花样河流花样实际上就是解理台阶的一种标志，台阶汇合（随裂纹扩展）而形成。影响河流花样形貌的因素影响河流花样形貌的因素o晶界的存在使河流花样呈现复杂的形态。当晶界或亚晶界是由刃位错墙所组成的小角度晶界时，则它们对河流花样的穿过不产生很大影响；当亚晶界是以螺位错所组成的扭折晶界时，则河流
43、不能通过亚晶界，只能在亚晶界处产生新的解理裂纹，结果导致从扭折晶界处形成新的河流，从而出现河流激增；对于大角度晶界，裂纹在扩展时，则会形成扇形花样。 o扇型花样的形成是由于河流不能通过大角度晶界向相邻晶界传播，而是在晶界上或离晶界很近的相邻晶粒内产生新的解理裂纹，以扇形方式向外扩张，传遍整个晶粒，该花样称为扇形花样。o故多晶拉解理断裂时，在每一个晶粒内部都是以裂纹源为核心，河流花样以扇形向四周扩展。扇形花样表示解理裂纹的形成及扩展方式，只要找到扇形花样，就能找到裂纹源及裂纹扩展方向。准解理断裂 显微观察表面，某些脆性断口上，即有解理断裂特征形貌，同时又伴随着一定的塑性变形痕迹，该断口称为准解理
44、断口。准解理通常在回火马氏体钢中发现。准解理和纯解理相比有如下特征：准解理平面比回火马氏体的尺寸要大得多，相当于淬火以前原始奥氏体晶粒度。准解理平面位向并不与铁素体基体的解理面100严格对应，故得名。准解理裂纹的扩展路程比起解理裂纹要求连续的多，常常在局部的地方形成裂纹并进行局部的扩展。裂纹源常在准解理平面的内部形成，而解理裂纹源则在解理面的边界上形成。准解理平面上有许多撕裂棱。第四节疲劳断裂的微观形貌驻留滑移带、挤出脊、挤入沟等都是金属在交变载荷作用下，表面不均匀滑移所造成的疲劳裂纹策源地。此外，晶界、孪晶界以及非金属夹杂物等处均为疲劳裂纹的策源地。疲劳辉纹o塑性疲劳辉纹o交变应力作用，裂纹
45、张开钝化张开所形成。根据疲劳辉纹的宽度可近似地估计疲劳裂纹扩展速率da/dN。o脆性辉纹o脆性辉纹的主要特点在于它的扩展不是塑性变形而是解理断裂。常常可看到弧形的辉纹，还有如裂纹扩展方向一致的河流花样，河流花样状的放射线和辉纹相交，相互近似垂直。o宏观断口上看到的贝纹线和疲劳辉纹并不是一回事，前者往往是因交变应力幅变化或载荷停歇等原因形成的宏观特征，而辉纹则是在一次交变应力裂尖钝化形成的微观特征，有时宏观断口上看不到贝纹线，但电子显微镜下仍可看到疲劳辉纹， 疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌疲劳源区和疲劳裂纹扩展区的微观形貌一个疲一个疲劳源劳源两个疲两个疲劳源劳源微裂纹微裂纹疲劳疲劳条纹条纹疲
46、疲劳劳裂裂纹纹扩扩展展区区疲疲劳劳源源区区三、疲劳抗力指标及其影响因素o无裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳极限、过载持久值、缺口敏感度疲劳极限、过载持久值、缺口敏感度o带裂纹零件的疲劳抗力指标疲劳裂纹扩展门槛值疲劳裂纹扩展门槛值 Ktho影响疲劳裂纹抗力的因素载荷类型、材料本质、表面状态、温度、介质载荷类型、材料本质、表面状态、温度、介质（一）无裂纹零（构）件的疲劳抗力指标材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。疲劳极限疲劳极限材料在高于疲劳极材料在高于疲劳极限的应力作用下发限的应力作用下发生疲劳断裂的循环生疲劳断裂的循环周次。周次。过载持久值过载持久值N1
47、、 N2、 N3、 N4均为疲劳过载持久值。第五节变形失效 2.5.1塑性变形失效塑性变形失效零件在使用过程中，发生了塑性变形，改变了零件的几何形状或尺寸而不能服役时，称为塑性变形失效。例如:模具塑性变形失效形式主要表现为塌陷、鐓粗、弯曲等，见图所示。2.5.2弹性变形失效 零件在使用过程中，发生了弹性变形，改变了零件的几何形状或尺寸，但载荷去掉后零件又恢复了原有尺寸，虽未造成零件的最终尺寸变化，但加工的零件尺寸不符合要求，称为弹性变形失效。 例1: 某汽车弹簧，在未装满载时已变形到最大位置，缺载后可完全恢复到原来状态；另一汽车弹簧，使用一段时间后，发现弹簧弓形越来越小，即产生了塑性变形，而且
48、塑性变形量越来越大。试分析这两种故障的本质及改变措施。解:第一种故障主要是材料的刚度（弹性模量）不足，抵抗弹性变形能力不够改进措施：（1）更换弹性模量高的材料; （2）改变材料的截面形状尺寸第二种故障主要是材料的弹性极限偏低所致改进措施：（1）更换弹性极限高的材料; （2）对材料进行适当热处理第三章磨损分析第三章磨损分析研究磨损的目的在于通过对各种磨损现象的考察和特征分析，找出它们的变化规律和影响因素，从而寻求控制磨损和提高耐磨性的措施。一般说来，磨损研究的主要内容有：o（1）研究磨损类型的发生条件、特征和变化规律；o（2）影响磨损的因素，包括摩擦副材料、表面状态、润滑状况、环境条件，以及滑动
49、速度、载荷、工作温度等工况参数；o（3）磨损的物理模型与磨损计算；o（4）提高耐磨性的措施；o（5）磨损研究的测试技术与实验分析方法。 第一节 典型的磨损过程1、磨合磨损过程 2、稳定磨损阶段 3、急剧磨损阶段 在一定载荷作用下形成一个稳定的表面粗糙度，且在以后过程中，此粗糙度不会继续改变，所占时间比率较小经磨合的摩擦表面加工硬化，形成了稳定的表面粗糙度，摩擦条件保持相对稳定，磨损较缓,该段时间长短反映零件的寿命经稳定磨损后，零件表面破坏，运动副间隙增大动载振动润滑状态改变温度磨损速度急剧上升直至零件失效 第二节磨损的分类o合理的分类能够使研究工作简化，更好地分析磨损实质。不同的学者提出了不同
50、的分类观点，至今还没有普遍公认的统一的磨损分类方法。o磨损与零件所受的应力状态、工作与润滑条件、加工表面形貌、材料的组织结构与性能以及环境介质的化学作用等一系列因素有关；1、分类o早期人们根据摩擦表面的作用将磨损分为以下三大类：o（1）机械类 由于摩擦过程中表面的机械作用产生的磨损，包括磨粒磨损、表面塑性变形、脆性剥落等。其中磨粒磨损是最普遍的机械磨损形式。o（2）分子-机械类 由于分子力作用形成表面粘着结点，再经机械作用使粘着结点剪切所产生的磨损，即粘着磨损。o（3）腐蚀-机械类 这类磨损是由介质的化学作用引起表面腐蚀，而摩擦中的机械作用加速腐蚀过程。它包括氧化磨损和化学腐蚀磨损。o按表面破
