《故障分析基础》PPT课件.ppt

第2章 故障分析基础,2.1 金属断裂与断口分析2.2 磨损2.3 腐蚀2.4 畸变,2.1 金属断裂与断口分析,2.1.1 基本概念2.1.2 韧性断裂2.1.3 脆性断裂2.1.4 疲劳断裂2.1.5 环境致断2.1.6 裂纹分析,2.1.1 基本概念,一、术语裂纹：金属的局部破裂。实际零件难免存在极微小裂纹，但可能不扩展失效。断裂：裂纹萌生、扩展，造成材料断开。各类失效中，断裂失效最主要、危害最大断口：零件断裂处现成的自然表面。断口分析：从材料的断口形貌、显微组织、微观缺陷，研究断裂行为，确定断裂模式和原因。,二、金属断裂的基本类型1按断裂的宏观塑性变形量分韧性断裂：断裂前产生明显的宏观塑性变形。脆性断裂：断裂前基本不产生宏观塑性变形，但可能存在微观局部塑性变形。2按裂纹扩展途径分沿晶断裂：裂纹沿晶界扩展，多数为脆性断裂。穿晶断裂：裂纹穿过晶体内部扩展。3按断口取向分正断型：宏观断口与最大正应力垂直。切断型：宏观断口与最大正应力约成45角。4按断裂的微观机理分解理、准解理、滑移、韧窝、疲劳断裂以及环境致断,三、宏观断口的基本组成与特征1.宏观断口的基本组成宏观断口的三要素：纤维区F、放射区R、剪切唇S,纤维区(裂纹生核及缓慢生长区F)：自断裂源至快速断裂之前的区段。其宏观平面与拉伸应力轴垂直，呈粗糙的纤维状。放射区(裂纹快速扩展区R)：裂纹慢速扩展到临界尺寸后，呈放射状快速扩展，塑性变形量很小。其特征是放射线花样，放射线方向为裂纹扩展方向。剪切唇(瞬时断裂区S)：断裂的最后阶段，与拉伸应力约成45角，为剪切断口，表面较光滑。,宏观断口在失效分析时可以提供裂纹的起源位置和裂纹扩展方向。,2宏观断口要素的影响因素对于不同的材料，不同的温度和受力状态，三个区域的位置、形状、大小及分布有所不同，有时在断口上也可能只出现一种或二种形貌特征。,裂纹源：影响断裂的起始位置和扩展路径。裂纹源一般发生在应力集中区。截面形状与尺寸：尺寸加大时，放射区加大，纤维区变化不大。如薄板拉伸断口可能就只有剪切唇。材料的强度和塑性：强度提高，塑性降低时，纤维区由大变小，放射区比例变大，放射线由粗变细，断口显得比较平整。温度：温度降低时，放射区比例变大。,2.1.2 韧性断裂,韧性断裂是载荷超过材料区屈服极限后产生的断裂，宏观上为纤维状，微观特征表现为大量韧窝。韧窝的形成：以拉伸试样为例，中心区应力最大，夹杂或第二相质点脱离基体形成微孔，微孔之间的基体可看作一个小拉伸试样，在力的作用下塑性变形，产生颈缩(内颈缩)而断裂，使微孔(聚合)相互连接形成裂纹。,韧窝的大小：包括平均直径和深度。影响韧窝大小的主要因素：从材料方面讲为第二相的大小、密度、基体的塑性变形能力、形变硬化指数等，从外界条件讲与应力大小和加载速率有关。一般在断裂条件相同时，韧窝尺寸越大，表示材料的塑性越好。,2.1.3 脆性断裂,一、基本特点 工作应力低于材料的屈服强度，甚至低于许用应力。通常从材料缺陷处做为断裂源，开始扩展。宏观断口通常平齐而光亮，与正应力垂直，断面收缩率小于3。断口常有放射花样或人字纹。对中低强度钢，存在韧脆转变温度(10-15)。,二、微观机理1解理断裂解理断裂是金属在正应力作用下，由于原子结合键破坏而造成的沿一定的晶体学平面(即解理面)快速分离的过程。小刻面是解理断裂断口上明显的宏观特征，呈无规则取向，当断口在强光下转动时，可见到闪闪发光的特征。,解理断口的微观特征主要是：解理台阶：断裂实际上并不是沿单一的晶面发生，而是在跨越若干个相互平行的位于不同高度上的解理面处发生，在交界处就会形成台阶。河流花样：解理裂纹扩展过程中，同号台阶相互会合长大，异号台阶相互销毁。当汇合台阶高度足够人时，便可呈现河流花样。小台阶就象支流到下游汇合成了干流，即大台阶。所以河流的流向指示了裂纹扩展的方向。河流花样是判断解理断裂的重要依据。舌状花样：解理裂纹沿孪晶界扩展时留下的舌头状凹坑或凸台，在断口副上“舌头”是黑白对应的。,影响解理断裂的因素：外因：环境温度、介质、加载速度、应力大小等。内因：材料的晶体结构、显微组织。一般来讲：温度低、加载速度快易产生解理断裂；体心立方、密排立方结构可能产生解理断裂。当氢在-Fe的解理面处集聚时，会产生氢致解理断裂。,2准解理断裂在许多淬火回火钢中，有许多弥散细小的碳化物质点，此时裂纹不再与晶体位向有关，而主要与细小的碳化物质点有关，其微观特征与解理断裂相似，但并非真正的解理断裂。,准解理的形成过程：首先在许多质点部位同时产生许多解理裂纹核，然后按解理方式扩展成解理小刻面，最后以塑性方式撕裂，与相邻的解理小刻面相连，形成撕裂岭。准解理断裂是解理断裂的变种。,3.沿晶断裂沿晶断裂又称晶间断裂，它是多晶体沿不同取向晶粒间晶界分离的现象，当晶界强度因偏析或夹杂物作用而低于晶内强度时容易产生。一般的沿晶断裂断口微观特征是“冰糖状”，沿晶分离面平滑、干净，无微观塑性变形特征，可以清楚地辨认一颗颗象冰糖样的晶粒。,2.1.4 疲劳断裂,疲劳断裂是在交变应力持续作用下发生的断裂。交变应力是指应力的大小、方向或大小和方向同时都随时间作周期性改变的应力，各种发动机曲轴、主轴、齿轮、弹簧、涡轮机叶片、钢轨、飞机螺旋浆及各种滚动轴承等都是承受交变应力。疲劳断裂在工程断裂中所占的比例最大，且断裂前无显著变形，表现为突然破坏，因此危害性严重。,一、疲劳断裂的基本类型1按产生原因分：机械疲劳：按加载方式可细分为拉压疲劳、弯曲疲劳、扭转疲劳热疲劳：温度反复变化引起热应力反复变化，产生热疲劳。腐蚀疲劳：在循环应力和腐蚀介质共同作用下产生的失效。,S-N曲线,2按疲劳寿命分：高周疲劳：应力较低，应力循环周次很多(107次)低周疲劳：应力较高(接近或高于材料的屈服强度)，应力循环周次较少(102一103次)在不特别指明的情况下，都是指高周疲劳。,二、疲劳断口的宏观形貌特征宏观断口无明显变形，表现为脆性断口。疲劳断口一般有三个区：疲劳源区、疲劳扩展区和瞬断区。,1）疲劳源：一般在材料有缺陷的地方。疲劳源可能有多个。经反复挤压摩擦而比较光亮。,2)裂纹扩展区：是疲劳裂纹亚临界扩展部分，其典型特征是贝壳花样(贝纹线、疲劳线)。贝纹线是以疲劳源为中心的近于平行的一簇同心圆，并与裂纹局部扩展方向相垂直。贝纹线是由于载荷大小或应力状态变化、频率变化或机器运行中途停车启动等原因，裂纹扩展产生相应的微小变化而造成的。靠近裂纹源处，贝纹线较密集，可根据贝纹线的密集程度判断裂纹源产生的先后顺序。韧性好的材料，贝纹线较小的间距较小。,疲劳裂纹的扩展规律：Paris公式：,3）瞬时断裂区：疲劳裂纹快速扩展直至断裂的区域。断口粗糙。靠近中心为平面应变状态的平断口，边缘区为剪切唇。,三、疲劳断口的微观形貌特征疲劳裂纹扩展可分为两个阶段：第一阶段是由疲劳源开始，与主应力成45方向扩展，扩展速度很慢，扩展量很小。第一阶段裂纹逐渐改变方向，转到与主应力相垂直的方向，进入第二阶段。在此阶段，裂纹扩展是穿晶的，按解理断裂方式扩展，扩展速度较快，其微观特征是疲劳条带(疲劳辉纹)。,疲劳条带与裂纹扩展方向垂直，是一系列基本上相互平行的条纹，稍微凹向疲劳源，呈波浪形。每一条带代表一次或若干次载荷循环，在两条宏观疲劳贝纹之间可见许多条微观条带。,Cr12Ni2WMoV钢疲劳断口微观照片,四、影响疲劳强度的主要因素应力集中：构件截面尺寸突变处（如切槽、圆孔、尖角等）存在应力集中,应力集中促使裂纹形成与扩展，降低疲劳强度。构件尺寸：在最大正应力相同的条件下，大试件处于高应力区的材料多于小试件。这样，大试件出现裂纹的可能性要大于小试件，疲劳强度就要低于小试件。表面加工质量：机械加工会给构件表面留下刀痕、擦伤等各种缺陷会造成应力集中，降低疲劳寿命；对构件作渗氮、渗碳、淬火等表面处理，能提高表面层材料的强度，提高疲劳强度。其它因素的影响：温度、腐蚀性、荷载频率等因素均对疲劳强度有影响。其影响程度可通过疲劳试验用相应的影响系数表示。,2.1.5 环境致断,一、应力腐蚀断裂应力腐蚀断裂是合金材料在持久拉应力和特定的腐蚀环境共同作用下所导致的脆性断裂，断裂前没有预兆，不易预防，危害性极大。,1应力腐蚀断裂的特点和影响因素,应力腐蚀所需的应力一般是拉应力，该应力可以很小，在不同介质中可以有不同的值。能导致金属产生应力腐蚀的最小应力称为应力腐蚀开裂的临界应力。纯金属不发生应力腐蚀，但几乎所有的合金在特定的腐蚀环境中都会引起应力腐蚀裂纹。,2应力腐蚀断裂的断口特征应力腐蚀断裂起源于表面，且为多源，起源处表面一般存在腐蚀坑，且存在腐蚀产物。应力腐蚀断口的微观形态可以是解理或准解理，沿晶断裂或混合型断口。应力腐蚀裂纹扩展过程中会发生裂纹分叉现象，产生二次裂纹，呈现河流、扇形、鱼骨、羽毛等花样。,二、氢脆氢脆是在金属中存在的过量氢和应力共同作用下产生的脆性断裂。氢可通过不同的机制使金属脆化。,下面介绍几种常见的氢脆现象及其特征。1氢蚀：碳钢在300-500工作时，氢与钢中的碳化物作用形成CH4气体，使晶界结合力减弱而脆化。其宏观断口呈氧化色，颗粒状；从微观断口看，晶界明显加宽，呈沿晶断裂。,2白点(发纹)：铸锻过程中，若钢中过饱和的氢原子未能及时扩散外逸，在某些缺陷处聚集形成氢分子，产生高压，把材料撕裂，而使钢中形成白点，实际上就是微裂纹。其断口宏观上呈现为典型的脆性断裂特征，断口比较光滑平齐，具有放射状线或颗粒状特性，断口可观察到“白点”或细小的裂纹(发纹)。,3氢致延迟断裂金属材料在加工、制造及使用环境下很容易受到氢的渗入，而且随后在应力作用下，会向应力高的部位扩散聚集，当聚集的氢含量达到一定的临界浓度时，使金属原子间结合力下降而导致断裂。由于氢的扩散聚集需要一定的时间，所以断裂的发生是在加载后的某个时间，故称之为氢致延迟断裂。氢致延迟断裂的宏观断口与一般脆性断裂相似。微观上常见为沿晶断裂，且晶界上常有许多撕裂棱。,三、蠕变断裂蠕变是金属长时间在一定的温度、一定的应力(可低于屈服强度)作用下发生的缓慢而持久的塑性变形现象，当塑性变形超过允许值时，产生畸变失效，进一步发展可导致断裂。,蠕变断裂的宏观断口特征:1)断口附近产生大量塑性变形，在变形区附近有很多裂纹，使断裂机件表面呈龟裂现象；2)由于高温氧化，断口表面往往被一层氧化膜覆盖。蠕变断裂的微观断口:大多呈现为沿晶断裂。,蠕变曲线,裂纹分析包括观察裂纹的起源与走向，并探讨其与周围组织结构的关系。裂纹的起源位置及走向取决于两方面因素的综合作用，即应力集中的大小及材料强度值的高低。应力原则：构件的形状和材料性质急剧改变的地方，会产生局部的高应力集中，当这种应力集中大于材料的强度极限时，就会引发裂纹。裂纹的扩展方向一般都垂直于主拉伸应力的方向。强度原则：裂纹总是沿着最小阻力路线即材料的薄弱环节处扩展。有时按应力原则扩展的裂纹，途中突然发生转折，显然这种转折的原因是由于材料内部的缺陷。,2.1.6 裂纹分析,例：16V240ZJ柴油机曲轴断裂分析,多断在连杆颈上，成45,一、概念磨损：是摩擦表面上材料不断消耗的过程，表现为零件的尺寸和形状的改变。磨损也可能导致断裂。磨损量：通常指沿摩擦表面垂直方向测量的表面尺寸(可以是长度、体积或质量)变化量。磨损率：磨损量与磨损时间之比。磨损度：磨损量与产生该磨损量的摩擦路程或所作的功之比。耐磨性：用磨阻表示，它是磨损度的倒数。磨损失效：使用寿命期间，零件表面磨损量超过允许值，则造成失效。,2.2 磨损,二、磨损失效的类型与特征1粘着磨损：是在外力作用下，摩擦接触的表面间材料原子键的形成(显微熔接)和分离过程，使材料从一个表面转移到另一表面。,粘着磨损使摩擦副表面的几何形状发生变化，从光学显微镜下可以看到表面擦伤、划伤、材料转移、咬死、焊点等磨损形态。粘着磨损严重时，机械系统中运动零件的“咬死”将导致灾难性失效，如轴承抱死、剧烈磨损等。,2磨粒磨损：也称为磨料磨损或研磨磨损，它是当摩擦副一方的硬度比另一方硬度大很多时，或者在接触面之间存在着硬质粒子时，所产生的一种磨损。,磨料磨损主要发生在采矿、物料运输、农机或工程机械作业和原材料加工处理过程中。若沙粒或尘粒进入零件副的滑动面或滚动面上，也会发生严重的磨料磨损，如开式齿轮传动等。若磨屑不能从它形成的地方被润滑油带走并过滤掉，也会导致磨料磨损。在形貌图上判断磨料磨损的主要依据是划痕，在这些划痕中往往还有微切削痕迹存在；一些脆性材料上还会出现崩碎、颗粒。,3疲劳磨损：也称表面疲劳磨损或接触疲劳磨损，是由于摩擦副表面微凸体之间的反复作用(如滚动、或滚动滑动复合摩擦)，使得材料局部区域受循环接触应力和重复变形，导致裂纹的形成和扩展，产生金属微片或颗粒的脱落。,很多磨损过程中都伴随有疲劳磨损(如齿轮、凸轮、火车轮箍、铁轨等)。疲劳磨损的宏观特征是接触表面出现许多麻点和凹坑。有时凹坑很深，呈贝壳状，有疲劳裂纹发展线的痕迹。用扫描电子显微镜有时还可以观察裂纹呈间断式生长。根据裂纹起始位置和形态不同，疲劳磨损可分为疲劳点蚀(麻点剥落)、浅层剥落和深层剥落(表面压碎)。,4腐蚀磨损：腐蚀磨损是由于摩擦表面与环境介质发生化学或电化学反应，形成腐蚀产物，腐蚀产物剥落引起腐蚀磨损。腐蚀磨损常与机械磨损共存。腐蚀磨损通常是一种轻微磨损，但在一定条件下也可能转变为严重磨损。,若腐蚀产物是氧化膜，则称为氧化磨损。氧化磨损在各类机械中普遍存在，是生产中允许存在的一种磨损形式，其磨损速率最小。一般情况下氧化膜能使金属表面免于粘着，氧化磨损一般要比粘着磨损缓慢，因而可以说氧化磨损能起到保护摩擦副的作用。氧化磨损的宏观特征是：在摩擦表面上沿滑动方向呈匀细磨痕，其磨损产物或为红褐色Fe2O3，或为灰黑色Fe3O4。,以上为磨损的四种基本类型，另外还有几种特例。5.冲蚀磨损：冲蚀磨损是由于夹带粒子的流体(常为液体)冲蚀造成表面材料损失的特殊磨粒磨损。如带硬粒气流对风机叶片的冲击。6气蚀磨损：气蚀磨损是零件受液体中不断形成与溃灭的气泡在瞬间产生的极大冲击力以及高温的反复作用下，工作表面材料的特殊疲劳点蚀。气蚀零件的表面材料受疲劳而逐渐脱落后，呈现麻点蚀坑，随后扩展而呈泡沫海绵状。7微动磨损：在机器零件嵌合部位，接触表面之间虽然没有宏观位移，但在外部变动载荷和振动影响下，却产生小振幅的相对振动或往复运动(称为微动)。其特征是接触区有大量红褐色Fe2O3磨损粉末，还常见到因接触疲劳破坏而形成的麻点或凹坑。,三、磨损失效的分析磨损失效的一般分析步骤如下：1)现场调查，初步确定磨损类型2)确定磨损表面的磨损量曲线。这可与表面的原始状态比较而定。3)查明摩擦副相对运动的情况4)确定磨损速率和摩擦系数5)查明摩擦副润滑条件6)确定磨损是否处于允许的范围,2.3 腐蚀,一、概念 腐蚀是材料暴露在活性环境中而发生的表面损耗现象，是金属与环境之间产生化学、电化学作用的结果。化学腐蚀是在表面与介质发生化学反应，没有电流产生，只发生在干燥气体中或不导电的溶液中。电化学腐蚀的特点是在腐蚀过程中有电流产生。,电化学腐蚀原理为：将一块理想的金属放入电解质中，就会产生电极电位，它与材料释放电子的能力有关。一般把氢电极作为标准参考电极，并将其电位选为零，如果金属给出电子的化学倾向大于氢，则此金属的电极电位为负，反之为正。电极电位越负越易给出电子。一些金属的电极电位排序由负到正为：K、Ca、Na、Mg、AI、Mn、Zn、Fe、Sn、Pb、H、Cu、Hg、Ag、Pt、Au,金属零件发生电化学腐蚀的基本条件是：零件是由二种不同金属组成，或使用的合金中不同区域或不同相的电极电位不同；不同电极电位的部分彼此是非绝缘的，可以有电子的流动；有电解质存在。,二、腐蚀的类型和特征按腐蚀环境分：1大气腐蚀：大气腐蚀的损耗几乎占整个金属腐蚀损耗的一半。大气中的水汽或CO2、SO2、NO2及盐类溶解到金属表面的水膜中去而形成电解液膜。被腐蚀金属引起阳极反应，如Fe=Fe2+2e，而阴极反应主要是O2+2H2O+4e=4(OH)-影响因素：湿度、灰尘。,2.土壤腐蚀金属埋入地下，受土壤成分、PH值、细菌、杂散电流等影响产生的腐蚀。常见的有管壁穴点腐蚀穿透和硬壳型腐蚀。3.海水腐蚀海水是一种天然的电解质，大多数金属都受其腐蚀。,按腐蚀特征分：1均匀腐蚀均匀腐蚀在正常条件下发生，其特点是腐蚀的均匀性。均匀腐蚀可在大气、液体及土壤里产生。2点腐蚀：点腐蚀的特点是腐蚀集中于局部，呈尖锐小孔，进而向深部扩展成为孔穴甚至穿透。点腐蚀与金属构件表面结构的不均匀度，尤其与表面的夹杂物，表面保护膜的不完整性有关。大都是在有Cl-存在的情况，Cl-浓度越高，点腐蚀越严重。从点腐蚀坑的剖面形貌看，蚀坑往往外小内大，所以危害很大。,3.缝隙腐蚀：缝隙腐蚀是指腐蚀介质进入金属材料缝隙并滞留产生电化学腐蚀。电位相同的同类金属也可以发生缝隙腐蚀。原理为“氧浓差电池”的电化学反应。,4接触腐蚀接触腐蚀是电位不同的金属相互接触并浸入电解液介质中，则电位负值大的金属会受到电化学腐蚀。5晶间腐蚀：晶间腐蚀的特点是腐蚀发生在晶界或其附近。晶问腐蚀不仅降低机械性能，而且由于难以发现易于造成突然失效。造成晶间腐蚀的原因为：晶界是各种溶质元素偏析或金属化合物(如碳化物和相)沉淀析出的有利区域，因此在电化学腐蚀中，晶界易成为阳极区而优先被腐蚀。,例：16V240ZJ柴油机曲轴轴颈磨损过大分析,2.4 畸变,畸变是一种不正常的变形，从某种程度上减弱了规定的功能。畸变可分为尺寸畸变和形状畸变。畸变的类型有：1弹性畸变失效：变形在弹性范围内，因此畸变量与材料的强度无关，而是刚度的原因。2塑性畸变失效：宏观上有明显塑性变形。3翘曲畸变：是一种大小与方向常有复杂规律的变形。,