♦ 有可能发生的失效类型是什么？ ♦ 如何设计实验确定失效的类型？ ♦ 改进的建议和措施
一．涡轮叶片的材料 涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，是一种特殊的零件，它的数量多，形状复杂，要 求高，加工难度大，而且是故障多发的零件，一直以来各发动机厂的生产的关键。所以对涡轮叶片材料就有更高 的要求。
涡轮叶片的材料一般选择镍基高温合金。镍基合金就是以镍为基础，加入其他的金属，比如钨、钴、钛、铁 等金属，做成以镍为基础的合金。 有的镍基高温合金含镍量达到 70殊右，其次Cr含量也比较高。其性能主要有：
1. 物理性能。 具有较高的熔点和弹性模量； 各温度下均有较低的热膨胀系数， 且随温度变化不大； 没有磁性。 2. 耐腐蚀性。镍基合金由于含 Cr,在氧化性的腐蚀环境中的耐腐蚀性优于纯镍。同时，由于
氛。
Ni含量高，在还
原性腐蚀环境下也能维持良好的耐腐蚀性能。还具有良好的耐应力腐蚀开裂性能，也能抵抗氨气和渗氮、渗碳气
3. 机械性能。镍基高温合金在零下、室温及高温时都具有很好的机械性能。 4. 高温特性。高温下耐氧化性极佳，对氮、氢以及渗碳也具有极佳的耐受性。
5. 热处理及加工、焊接性。高温镍基合金不能通过热处理进行失效硬化，但可以进行固溶热处理和退火处理 等。高温镍基合
金比较容易进行热加工，冷加工性能比奥氏体不锈钢好。焊接性能与标准奥氏体钢一样，可采用 TIG焊接、MIG旱接以及手工电弧焊。
总的来说，镍基合金具有优良的热强热硬性能、热稳定性能及热疲劳性能，可以承受复杂应力，组织稳定， 有害相少，高温时抗氧化热腐蚀性好，蠕变特性出色，能够在相当苛刻的高温环境下进行服役。所以涡轮叶片的 材料选择高温镍基合金。
二. 涡轮叶片的服役环境 涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件，而涡轮叶片处于温度最高、应力最复杂、环境最恶劣的部位，即涡轮 叶片的服役环境特别的复杂与恶劣。总得来说，涡轮叶片服役环境的要素主要有：
1. 不均匀的高温条件下工作。 涡轮处于燃烧室后面的一个高温部件， 涡轮工作叶片的工作温度大约在 720°C- 1120C，其
在工作时已达到红热状态，并且其温度场不均匀，随着飞行状态的变化而承受不同的温度，而且还存 在高温氧化，这些都使得涡轮叶片的服役环境非常恶劣。
2. 高转速条件下工作。 涡轮发动机靠涡轮叶片快速旋转将燃气压缩排出， 装化为机械能， 为航天器提供动力。 3. 高应力和复杂应力条件下工作。涡轮工作叶片承受很大的离心力及其弯矩，还要承受燃气施加的很高的弯 曲载荷、热应
力，还有振动应力和气动力等复杂的应力作用。
4. 受到燃气高频脉动及燃气腐蚀的影响。涡轮工作叶片直接接触高温高压燃气，燃烧产生的燃气含有大量的 Na, V, S等热
腐蚀性元素，使得涡轮工作叶片的工作环境更为苛刻。
三．可能发生的失效类型 根据涡轮叶片的服役环境,可以推断出涡轮叶片的失效方式大概分为正常失效和非正常失效两种。
1. 正常失效中的叶片损伤包括由磨损、掉块、内裂等构成的表观损伤和内部冶金组织损伤两类。其中,内部 冶金组织损伤是
指叶片在低于规定使用温度和应力的服役环境下发生的诸如丫/相粗化，晶界及晶界碳化物形貌 的变化,脆性相生成等显微组织的变化。导致的主要失效形式是蠕变失效,但同时还有高温腐蚀、热疲劳和低周 疲劳及其交互作用等。蠕变损伤主要表现为蠕变孔洞和蠕变裂纹的产生。
大多数涡轮叶片的失效方式为正常失效方式,即蠕变失效、蠕变－疲劳交互作用导致的失效和腐蚀失效。
2. 非正常失效是由于叶片设计不当、制备缺陷或人员操作不当引起的失效行为,主要表现为高周疲劳、超温 服役引起的过热甚
至过烧等失效形式。
总的来说,涡轮叶片可能的失效类型主要为：疲劳失效、蠕变失效和过载断裂等。 四．设计实验确定失效的类型
1. 疲劳失效。金属零件再使用中发生的疲劳断裂具有突发性、高度局部性及对各种缺陷的敏感性等特点；引 起疲劳断裂的应
力一般很低,端口上经常可观察到特殊的、反映断裂各阶段宏观及微观过程的特殊花样。典型的 疲劳端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。
2. 蠕变失效。蠕变断裂是材料在恒定应力（应力水平低于材料的断裂强度）作用下应变时间逐渐增加,最 后发生断裂。 明
显的塑性变形是蠕变断裂的主要特征, 在端口附近产生许多裂纹, 使断裂件的表面呈现龟裂现象。
另一个特征是高温氧化现象，在端口表面形成一层氧化膜。沿晶断裂截面上可以清楚地看到局部晶间的脱开及空 洞现象，端口上存在与高温氧化及环境因素相对应的产物。
3. 过载断裂。金属构件发生过载断裂失效时，通常显示一次加载断裂的特征，其宏观端口与拉伸试验端口 极为相似。过载
断裂的微观特征为塑性变形痕迹及穿晶断裂特征。
4. 实验确定失效类型。
(1) 失效产品直观检查。首先直观检查叶片，寻找首断件，并确定叶片断口的位置，观察断口的颜色，是 否有其他的金属
飞溅物，是否存在氧化膜。观察断口附近是否有明显的塑性变形，是否存在严重的掉快现象。
(2) 宏观分析。用扫描电镜观察端口的宏观形貌特征，找出裂纹源的位置，确定初裂纹的位置，并确定裂 纹的扩展方向；
观察断口表面的条纹花样，观察是否存在明显的疲劳源区(通常出现在构件表面)、扩展区(弧 线、人字纹)、瞬断区(高塑性为纤维状，脆性为晶粒状或放射状)，并确定断裂区于疲劳源区的相对位置；观 察外围是否存在剪切唇。大致确定叶片的失效类型。
(3) 微观分析。用电子显微镜观察端口的微观形貌特征，寻找是否存在条状花样，尤其是疲劳辉纹即具有 一定间距的、垂
直于裂纹扩展方向、明暗相间且互相平行的条状花样。观察是否存在塑性变形痕迹，并确定断裂 为穿晶断裂还是沿晶断裂。
(4) 相结构分析。用X-射线衍射XR分析断口附近的相组成，并与叶片原材料镍基合金中的相结构进行对 比，根据新生相
或含量发生很大变化的相分析断口附近在断裂时或断裂前发生的变化。从而更加准确的推断断裂 失效类型。
(5) 应力分析。用X-射线应力仪分析断口及附近的应力状态，并分析断裂时的应力状态，从而更好地区分 过载断裂与疲劳
断裂和蠕变断裂，并可以用于区分为疲劳断裂的哪一种类型。
(6) 热损伤分析。用硬度仪对叶片断口及附近进行硬度测量，并结合前面测出的断口附近的相组织，对叶 片的超高温状态
进行评价，分析叶片是否存在超高温过热迹象。
通过对以上几步的结果进行综合分析，基本可以确定涡轮叶片的断裂失效类型。 五. 改进的建议与措施
1. 涡轮叶片材料。目前航空发动机涡轮叶片使用的材料主要是以镍、钻、铁为基的合金，其熔点在 1800K左
右。但为了为使航空燃气涡轮发动机在尺寸小、 重量轻的情况下获得高性能， 主要的措施是采用更高的燃气温度， 这就使得涡轮叶片的工作环境更为苛刻。为了更好的使涡轮叶片适应更高的要求，可以加快研发采用耐热性更高 的铌或钼基合金。并且可以在涡轮叶片的材料表面涂覆耐热性很高的陶瓷材料保护。
2. 结构优化设计。( 1)对涡轮盘和涡轮叶片的形状进行优化，减少涡轮旋转的摩擦与阻力，降低涡轮工作
时的应力应变脉动。( 2)采用拓扑优化的空心涡轮盘，可以有效的降低涡轮质量从而达到不需要太大提高燃气 温度而提高发动机性能的目的。( 3)优化涡轮盘及涡轮叶片，改变其固有频率，使固有频率与涡轮工作时的振 动频率相差较远，降低振动对涡轮的影响。(
4)采用更有效的冷却系统，这可以有效的降低涡轮叶片的工作温
度，延长涡轮叶片的寿命，并且可以提高燃气的进口温度，增加涡轮发动机的性能。
3. 工艺优化设计。采用合理的制作工艺和成形工艺，使涡轮盘及叶片获得组织致密均匀的细小组织，可以极
大的提高涡轮的工作性能。( 1)采用先进的制备工艺：先进的铸锻变形工艺——提高了坯件的质量与塑性；粉 末冶金工艺——提高了热加工性能和合金屈服强度及疲劳性能等综合力学性能；喷射成形工艺——获得整体致密、 成分均匀、组织细化、结构完整、接近零件最终形状的材料坯件。(
加工余量成形接近零件最终形状的半成品。
2)采用先进的成形技术：等温超塑性锻造
成形——加工余量小，表面完整，组织均匀；接近等温变形条件的涡轮盘锻造——提高高温塑性；直接热等静压 成形——以最小的
零件失效分析方案设计 实验原理
1 ．材料常见的失效形式及其判断方法； 2．材料典型断裂失效断口的形貌及其特征； 3. 断口分析技术；
4．裂源及裂纹扩展方向的判别； 5. 力学性能测试技术。
失效分析
⑴ 选择失效零部件，进行宏观外形与尺寸的观察和测量，拍照留据，确定重点分析的部位。 ⑵ 调查零部件的服役条件和失效过程。
⑶ 查阅失效零部件的有关资料，包括零部件的设计、加工、安装、使用维护等方面的资料。
3 . 5：收集资料：该零件在相同\\不同工作条件下的实效形式，观察断口情况，统计相关信息；对本零件的 实效可能性做出几
种假设，在以后实验中留意相关证据，验证假设是否正确。（PS :有点类似人工智能的推理 模式）
⑷ 试验研究
实验方法与步骤
1、 对整个零件进行检查，包括
（ 1）断裂形式、部位及塑性变形情况，并注意裂纹源区； （ 2 ）有无腐蚀痕迹； （ 3 ）有无磨损迹象；
（ 4）表面状况（有无机械损伤，颜色变化，氧化及脱碳现象）； （ 5）原材料质量，加工缺陷等。
（6）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设.PS: — 定要在假设中做一条我
们最后要得出的。
2、 断口宏观分析 用放大镜观察断口表面，主要内容有
（ 1）裂纹源与终止点； （ 2）断裂面、裂纹扩展方向； （3）断口附近的塑性变形情况； （ 4）断口是否清洁光亮；
（ 5 ）断口结构特点、贝纹特征及终端区大小，
（6）注意与假设对比：看是否有假设相同的，相同则进一步验证其他的，不同则做更多的假设.PS: — 定要在假设中做一条
我们最后要得出的。并拍照留据。
3、 断口硬度检测 在断口附近取若干个样本检测点，用洛氏硬度计进行硬度检测并与标准硬度值进行比较。 4、 金相检测
在断裂件上截取金相试样，经镶嵌、打磨和抛光，再用 观察。
3%硝酸酒精溶液侵蚀后在金相显微镜下进行显微组织
5. 下结论：通过以上实验得出一个结论：
对预防该类零件的实效提出建议： 对本实验做一个总结：缺点和优点，值得改进与发扬的地方。
材料失效分析复习大纲
一、材料失效分析总论
1、 失效定义： 指产品（构件） 因微观结构和外观形态发生变化而不能满意地达到规定的功能。 2、 失效的微观结构 ：原子的电子结构、原子间相互作用、原子团三维分布、显微组织形态。 3、 失效的外观形态 ：局部腐蚀、局部磨损、过度变形、表面异物。
4、 失效分析的内容（ 5 项）：判定失效模式、界定失效缺陷、鉴定失效机理、确定失效起因、提出解决 对策
5、 失效的五种模式 ：断裂、腐蚀、磨损、畸变、衰减。
6、 失效机理 ：是致使构件失效所发生的物理、化学的变化过程，即失效的微观机制。比如：腐蚀模式 下的电偶腐蚀、缝隙腐蚀、晶界腐蚀、点蚀等。
7、 失效的影响因素 ：材料选用不适、结构设计欠妥、制造质量一般、安装方式不当、检测方法常规、 组织性能劣化、维护过程疏漏、人员操作有误、工况介质复杂、外部环境变化、失效机理不明、防护措 施简单、理制度不严（注意：考试时不要求全部列出，写出几种因素即可）
8、 失效分析的八个方面 ：设计、材料、制造、安装、检验、操作、维护、环境。 9、 失效分析的主要步骤 ：
（1） 现场检查：运行史、工艺流程、图纸核对、取样等； （2） 外观检测：断口 （ 缺陷） 宏观形态及异物等观察与分析； （3） 微观分析：断口 （ 缺陷） 的微观形貌观察与成分测定； (4) 性能检验：材料力学、物理、化学等性能的试验评定； (5) 环境评估：工况介质、异物等测试与评价；
(6) 模拟试验：失效现象的再现和验证(按需进行) ； (7) 事故结论：分析结果必须快速、正确； (8) 解决对策：治理方案应该简单、有效。 10、失效分析工作者应有的素质 ：
(1) 品德高于技术：实事求是，客观公正，敬业负责； (2) 调查重于理论：深入现场，观察迹象，寻找旁证；
(3) 宏微观相结合：宏观是表象 ,微观是本质 ,分析要精准； (4) 综合知识并重：勤学多问，理论与实践相结合； (5) 团队合作至上：个人知识有限，集体力量无限； (6) 系统完整严密：前后一致，因果一致，推论可信； (7) 快速正确有效：分析快速，结论正确，实施有效。
二、金属的断裂
1、 脆性断裂特点：①断裂时承受的工作应力很低，一般低于c 0.2 ;②裂纹源总是从内部的宏观缺陷处 开始；③TJ,脆断倾向T;④断口平齐、光亮，且与正应力垂直，断口上常呈人字纹或放射性花样。 2、 断裂路径
① 沿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶界处发生的过程。多为脆断(氢脆断裂) ，少数为韧性断裂(高温 蠕变断裂)。
② 穿晶断裂：裂纹萌生和发展是在晶粒内部处发生的过程。可以是韧性的(微孔聚集型断裂) ，也可以 是脆性的(解理断裂、穿晶应力腐蚀断裂) 。 3、 解理断裂定义 ：这是一种在正应力作用下所产生的穿晶断裂，通常断裂面是严格沿一定的晶面(解 理面)而分离。注意：通常解理断裂总是脆性断裂，但脆性断裂不一定是解理断裂。
4、 断口三要素及其应用 ：
三要素 ：纤维状区、放射状区、剪切唇区。 应用：根据断口三要素可以判断裂纹源的位置及宏观裂纹扩展方向。
(1) 裂纹源位置确定：①利用纤维区，通常情况裂源位于纤维区的中心部位，因此找到纤维
区的位置就找到了裂源的位置；②利用放射区形貌特征，一般情况下，放射条纹的收敛处为裂源位置； ③ 根据剪切唇形貌特征来判断，通常情况下裂纹处无剪切唇形貌特征，而裂源在材料表面上萌生。
(2) 裂纹扩展方向的确定： ①纤维区指向剪切唇； ②放射条纹的发散方向； ③板状样呈现人字纹其反 方向为源扩展方向。 5、 解理断裂微观特征 ：扇形花样、解理台阶、河流花样、舌状花样、青鱼骨花样、瓦纳线。 6、 影响断裂韧性Kc的因素： (1) 内部因素：①化学成分：细化晶粒元素，提高强度和塑性， Kc提高；强烈固溶强化的元素使 Kc下 降；形成金属化合物并呈第二相析出的合金元素，降低 Kc。②基体相结构和晶粒大小：面心立方结构， Kc咼；晶粒小，Kc咼。 (2) 外部因素：①温度：TJ, KcJ :②应变速率：应变速率T， Kc 应变速率T 10倍，Kc ； 10%; 当应变速率很大时，绝热状态，局部升温，则 KcT。 7、 断裂韧性Kc与冲击吸收功AKV之间的关系：①由于裂纹缺口、加载速率不同，二者随温度变化曲线不 一样；②由Kc确定的韧脆转变温度比Aw的高。 8、 作业题(重点)：
问题 1：一批锻件毛坯在抽样检验时，发现屈服强度与断面收缩率均不满足要求，检验人员根据断口特 征决定采用正火处理，再检验性能全部合格。试问： 1、 检验人员看到断口有何特征？ 答：结晶状脆性断口(过热脆性结晶状断口) 。 2、 产生的原因是什么？答：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， 晶粒破碎不够；③终锻温度过高，发生了晶粒长大，使晶粒过粗或粗细不均。 3、 正火后为什么强度和塑性均有提高？ 答：正火发生可使晶粒细化，改善锻件质量。 问题 2： 在什么条件下易出现沿晶断裂？怎样防止沿晶断裂？
答：①晶粒过分粗大一一细化晶粒处理；②晶界弱化一一净化晶界；③环境介质一一改善工作环境；④ 热应力——退火消除。
三、环境断裂
1、 环境断裂定义：主要指金属材料在腐蚀介质、温度环境等条件的影响下，产生的沿晶或穿晶低应力 脆断现象。
2、 SCC（应力腐蚀断裂）影响因素及预防措施：
（1） 影响因素：①应力：拉应力；②环境介质：材料对介质具有选择性；③成分：高强钢中的碳含量、 铝镁合金中Mg含量；④热处理工艺：T6、T76、T77（RRA>
（2） 预防措施：降低应力；表面处理（喷丸、渗碳、氮化），使表面产生一定的压应力；改变腐蚀介质； 合理选材；电化学保护
3、 氢脆断裂：金属材料由于受到含氢气氛的作用而引起的低应力脆断。分为内部氢脆和环境氢脆两种 类型。
4、 过热断口和过烧断口的定义及断口形貌特征 ：
（1） 过热断口：材料在热锻、热轧或热处理加热时长时间停留，由于晶粒粗大而引起的低应力脆断。 断口形貌特征：①宏观形貌：过热钢呈石状，颜色浅灰，无金属光泽；②微观形貌：典型的延性沿晶断 口。 （2） 过烧断口：材料在超过过热温度下加热，由于晶界上出现氧化物、裂纹或局部熔化，晶粒粗大及 魏氏组织而引起的低应力脆断。
断口形貌特征：全部为石状，颗粒粗大，颜色灰暗，严重过烧时出现豆腐渣状断口。铝合金过烧后，表 面出现许多气泡，晶界熔化成网络状熔化节。 5、 高周疲劳、低周疲劳和热疲劳定义：
高周疲劳：材料在低应力（cVc 0.2）的作用下而寿命较高（N> 105）的疲劳。
低周疲劳：材料在反复变化的大应力或大应变作用下，使材料的局部应力往往超过c 0.2，在断裂过程中 产生较大塑性变形，是一种短寿命（N V 102—105）的疲劳。
热疲劳：由温度起伏（升高或降低）或热循环效应引起的疲劳损坏。如热轧辊、热压模具表面出现的“龟 裂”
6、 疲劳断裂三个过程：疲劳裂纹的萌生、疲劳裂纹的扩展、断裂。 7、 疲劳辉纹与疲劳条纹（贝纹线）区别：
① 疲劳辉纹是显微特征线，是一次交变应力循环裂纹尖端塑性钝化形成的； ② 贝纹线是宏观特征线，因交变应力幅度变化或载荷停歇等造成的。 8辉纹线的四要素（特点）：
①辉纹相互平行并且垂直于局部裂纹扩展方向；②辉纹间距随循环应力强度因子振幅而变化；③辉纹个 数等于负载循环次数；④通常断面上一组辉纹是连续的，其长度大致平行；相邻断面上的辉纹不连续。
四、断口分析技术
1、主裂纹与二次裂纹的判别（要求会用三种方法：T型法、分叉法、变形法来分析）
（1） T型法：若一个构件上产生两条裂纹或几个碎片合拢起来，其裂纹构成“ T”型，通常情况下，横 穿裂纹A为首先开裂的，这时可以认为 A裂纹阻碍了裂纹B的扩展，A为主裂纹，B为二次裂纹，裂源 位置可能在O或O处。如下图所示：
（2） 分叉法：一般情况下，裂纹分叉的方向为裂纹扩展方向，其反方向指向裂纹源 O点处。即分叉裂 纹为二次裂纹（B CD）,汇合裂纹为主裂纹 A。如下图所示：
（3） 变形法：根据变形量的大小来判别。变形量大的部位为主裂纹 A,其它部位为二次裂纹，裂源在主 裂纹所形成的断口上。如下图所示：
2、裂纹源于裂纹扩展方向的判别（位置判别和判别方法）：
（1） 裂源可能位置：材料表面、材料次表面、材料内部（夹渣、气孔等地）、应力集中处（尖角、油孔、 凹槽及划痕等）。
（2） 裂源的判别方法：利用断口宏观形貌特征来判别
①根据断口三要素，裂源位于纤维区中心、放射线或人字纹收敛处、无剪切唇处；② 若为疲劳断口，裂 源位于平滑区及疲劳前沿线曲率半径最小处；③ 若为环境断裂，裂源位于氧化或腐蚀最严重的表面或次 表面。
五、复合材料的失效分析
1、复合材料的性能主要取决于什么？ （ 4点）
①弥散组元；②基体的固有性能；③弥散组元的几何因素 （尺寸和形状）：④弥散组元与基体之间界面的 特性。
2、环境条件对复合材料性能恶化的影响：
温度的和化学的环境条件对复合材料性能的影响很大： （1）温度的影响是三重的：①纤维和树脂不 同的膨胀系数导致内应力的产生；②组元（特别是树脂）的性能随温度而变化；③蠕变抗力随温度而剧烈 变化。（2）化学环境的影响：①湿气对树脂性能恶化；②水能从玻璃纤维中浸出可溶性氧化物 ，从而生 成表面凹坑；③在酸性环境中，玻璃纤维复合材料由于氢离子交换过程而产生应力腐蚀，引起玻璃的表 层收缩，在表面产生巨大的拉应力，从而降低了玻璃的强度。
如果纤维所占的体积百分数足以承受载荷（即在纤维临界体积V 以上时），则基体（以及复合材料）将断裂多次，使单向纤维增强复合 材料的拉伸曲线呈现出左图所示形状。
可以看到，纤维的损坏导致纤维被拉出，从而吸收更多的能量， 使得
复合材料具有非灾难性断裂的特征。
六、磨损破坏
1、磨损定义：接触物体作相对运动时，因机械、物理-化学作用造成表面材料分离，使表面形状、尺寸、 组织及性能发生变化的过程称磨损。
一、 失效的基本概念
所谓失效一一主要指机械构件使用过程中由于尺寸、形状或材料的组织或性能发生变化而引起的机械构 件不能完好完成
指定功能或丧失原来设计功能的现象。一个机械零部件被认为是失效，应根据是否具有以下三个 条件中的一个为判据：
（1）零件完全破坏，不能工作； （2 ）严重损伤，继续工作不安全；
（3）虽能暂时安全工作，但已不能满意完成指定任务。 上述情况的任何一种发生， 都认为零件已经失效 二、 失效的形式
机械零部件最常见的失效形式有以下几种：
1 •断裂失效：通常包括塑性（韧性）断裂失效；低应力脆性断裂失效；疲劳断裂失效；蠕变断裂失效；应 力腐蚀断裂失效。 2 •表面损伤失效：通常包括磨损失效；腐蚀失效；表面疲劳失效 3 •变形失效：包括塑性变形失效；弹性变形失效
同一种零件可有几种不同失效形式。一个零件失效，总是由一种形式起主导作用，很少以两种形式主导 失效的。但它们
可以组合为更复杂的失效形式，例如腐蚀磨损、腐蚀疲劳等。
三、 失效分析目的
1. 防止同类失效现象重复发生
2. 失效分析是改进机械产品设计及制造工艺的依据
3. 消除隐患，确保机械产品安全可靠 4. 失效分析可以提高机械产品的信誉
另外，失效分析还能为产品的仲裁、索赔，制定指令性文件等提供重要依据。失效分析对质量控制、材料的 发展及规划、仪器设备的正确维护和使用等也可提供合理化意见。
四、失效分析方法
1. 原始资料的收集 原始资料指工件服役前的全部经历、构件的服役历史和断裂时的现场情况等。
（1）构件服役前的经历 首先要了解构件设计依据，其次是了解构件的制造和加工工艺，然后了解构件的物理性质、力学性能和化 学成分分析的检验报告，最后了解构件的安装及试车情况等。
（2）构件的服役历史 实际上很难知道构件的全部服役历史，这就必须从零星的使用情况综合工件服役时的负载变化，尽量从使 用条件中得到一些分析依据。
（3）现场记录及残骸的收集 断裂失效发生后，要求分析人员亲临现场，深入了解发生时的各种条件和事故过程。对于散落的碎片，均 应观察其所处位置、环境、取向，经详细记录或摄影方可移动。同时还应注意损坏构件与其他构件之间的关系， 并且记录。
收集碎片应尽可能齐全，尤其是首先断裂的部分。除沾着的腐蚀性介质应即时洗去，对端口上的其他物质， 一般不处理，待进行详细断口观察后再处理。
2. 断口分析
断口分析是断裂失效分析的最重要的分析过程。 断口观察包括宏观和微观观察。
（1）断口的宏观观察 断口的宏观观察是指用肉眼、放大镜、光学显微镜及扫描电镜的低倍观察。
首先用肉眼或放大镜观察断裂构件的外貌，应特别注意构件碎片的表面观察，看看有无加工缺陷，是否存在 应力集中地薄弱环节以及表面损伤。
接着，根据断口的宏观特征来确定裂纹源及裂纹的扩展方向。
（2）断口的微观观察 断口的微观观察通常应用电子显微镜。通过对断口的微观观察可以进一步澄清断裂的路径、断裂的性质、环 境对断裂的影响等因素外，还将找出断裂的原因及断裂机理。
应用扫描电镜可直接观察实物断口表面，可连续放大。电子图像立体感强，是分析断裂失效最有力的工具。 3．化学分析 在失效分析中，为了查明材料是否符合规定要求，必须进行化学成分分析。
4. 金相检验 金相检验在断裂失效分析中也是经常应用的一种重要手段，有些损坏构件往往只需做金相检验就可以查明损 坏的
原因。
金相检验主要内容有晶粒大小、组织形态、第二相粒子的大小及分布、晶界的变化，以及夹杂物、疏松、裂 纹、脱碳等缺陷。
5. 模拟实验 所谓模拟实验，是指把已知条件下断裂的断口形貌与未知条件下断裂者进行比较，从而初步判断分析是否正 确，
也称为对比实验。
实际情况中，要对实际失效进行全部模拟是很难做到的，但是对其中一个或者两个参数或参量进行模拟，还 是可以办到的。
6. 综合分析 失效分析进行到一定阶段，需要对各种检查和实验所得结果和基本实验数据进行全面的分析研究。
一般而言，可以从各种检测结果、实验数据和记录的综合分析中，得出失效分析的一种或几种主要原因，并 且提出改进措施。 最后，应做出全面详细的失效分析报告： （1） 失效构件的描述 （2） 失效时服役条件
3) 失效前服役条件
4 ) 构件制造及热处理过程
5 ) 失效构件材料冶金质量评定 6 ) 各种物理、化学、力学实验 7) 失效主要原因及其影响因素 8) 预防措施及其改进意见等
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 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；
011应力腐蚀失效等。 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。
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。
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
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。
T型法
A:主裂纹；B :二次 裂纹；0:裂源
分叉法 A:主裂纹；B、 C、D :二次裂 纹；0:裂源
变形法 A :主裂纹； B、C :二次 裂纹；
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；0:裂源
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， 如高温蠕变断裂。
韧窝在晶界上时属于沿晶断裂,
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 裂，即穿晶断裂。
（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
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。
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