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材料失效分析 概论 随着现代科学技术的飞跃发展，失效分析已经成为一 门综合性学科，在工程上正得到日益广泛的应用和普遍的 重视。为了提高机械产品质量及使用寿命，国内外对机械 构件的失效（断裂）现象进行了大量的分析和研究，日益 完善了失效分析技术及其基本理论。 应用失效分析技术—— 可以指导机械产品规划、设计、选材、加工、检验及 质量管理等方面工作；同时失效分析技术又是 制定技术规范、科学发展规划、法律仲裁等的重要依 据之一。 大力开展失效分析研究，无论对工业、民生、科技发 展，都具有极其重要的作用。 一、失效的概念 所谓失效——主要指机械构件由于尺寸、形状或材料 的组织与性能发生变化而引起的机械构件不能完满地完成 指定的功能。亦可称为故障或事故。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 1 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。例如，轴的失效， 可以是疲劳断裂，也可以是过量弹性变形（弹性失稳）。究 竟以什么形式失效，决定于具体条件下，零件的哪种抗力 最低。因此，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 失效分析是指分析研究机械构件的断裂，表面损伤及 变形等失效现象的特征及规律，并从中找出产生失效主要 原因的一门新的学科或分析技术。也称之为故障分析或事 故分析等。 失效分析是门多学科的边缘科学， 它不仅包括断口学及材料学，而且它还与力学、化学、 腐蚀科学、摩擦学、工艺学及设计基础等学科有关。只掌 握一门学科是不行的。 失效分析在整个机械产品制造过程中占据重要地位， 如图示（P2 ）。 2 失效分析对改进产品设计、选材等提供依据，并可防 止或减少断裂事故的发生；通过失效分析还可预测可靠性， 特别是利用“失效树”来预测系统的安全可靠性更为有力。 所谓“失效树”是指由各种可能引起系统失效的事件 和连接这些事件的逻辑门组成的图形，并显示出它们相互 之间的关系。 失效分析可以提高机械产品的信誉，并能起到技术反 馈作用，明显提高经济效益。 失效＝＝》断裂 第一章 金属断裂的基本概念 §1-1 断裂和断口 金属的完全破断称为断裂 断裂后的自然表面称为断口。 断裂一般发生在材料性能最弱的部位或零件中应力最 大的部位。 断裂（形态）分类：在国内外，对断裂分类的方法， 目前仍很不统一，各自按具体的需要和研究的方便进行分 类，下面介绍几种常用的断裂分类方法，这些分类方法是 相辅相成的。 按断裂性质分类——韧性断裂和脆性断裂 §1-2 韧性断裂和脆性断裂 根据材料或构件（金属）完全断裂前所产生的宏观塑 性变形量的大小： 显著——韧性 几乎不产生或很小——脆性 3 例：规定光滑拉伸试样ϕ ＜5%为脆性断裂 上述分法，只具有相对意义，例如：同一种材料，应 力、温度等条件改变，其变形量也可能发生显著变化。另 外也可能出现韧性与脆性的混合断裂，例如金属光滑圆棒 拉